超声换能器

技术领域

本发明涉及能量转换技术领域，特别是涉及一种超声换能器。

背景技术

超声换能器广泛应用于工业检测、医学诊断及治疗等领域，超声换能器可以将作用在压电材料(阵元)上的电信号(电能)转换成超声波(声能)，并通过发出的超声波去实现各种检测或治疗的目的。超声换能器本身具有一定的能量转化效率，导致超声换能器在使用过程中发热。在一些特定使用环境中，比如工业领域中的石油、天然气等开采行业，其环境温度可达200℃，在地热探测方面温度可升至250℃。受自身发热以及环境温度的影响，超声换能器的温度会急剧上升。一般的超声换能器的散热效率较低，热量的积聚会造成超声换能器内部结构不可修复的损坏。

发明内容

基于此，有必要针对一般的超声换能器散热效率较低的问题，提供一种能够实现高效散热的超声换能器。

一种超声换能器，包括：

压电组件，具有发射侧和背向侧，所述发射侧在通电条件下发出超声波；

背衬，设置于所述压电组件的所述背向侧；

散热组件，包括传热结构和冷却结构，所述传热结构和所述压电组件夹设所述背衬，所述冷却结构设置于所述传热结构远离所述背衬的一侧；

所述压电组件在通电条件下发出的热量依次传递至所述背衬、所述传热结构以及所述冷却结构。

在其中一个实施例中，所述传热结构包括传热板、吸热凸起和散热凸起，所述吸热凸起和所述散热凸起分别设置于所述传热板的两侧，所述传热板和所述压电组件夹设所述背衬，所述吸热凸起插入所述背衬，所述散热凸起插入所述冷却结构内部。

在其中一个实施例中，所述吸热凸起和/或所述散热凸起的数量为多个，多个所述吸热凸起和/或所述散热凸起呈薄片状、柱状或者锥状；多个所述吸热凸起和/或所述散热凸起在所述传热板上等间隔分布或者非等间隔分布。

在其中一个实施例中，所述冷却结构呈中空壳体，所述冷却结构罩设于所述传热板靠近所述散热凸起的一侧，所述冷却结构和所述传热板围设形成冷却空腔，所述冷却空腔内允许通入并排出冷却介质。

在其中一个实施例中，所述冷却结构包括围板和盖板，所述围板的一端围设于所述传热板靠近所述散热凸起的一侧，所述盖板封闭所述围板的另一端，所述围板、所述盖板以及所述传热板围设形成所述冷却空腔；所述传热板与所述围板固定连接或一体成型，和/或所述围板和所述盖板固定连接或一体成型。

在其中一个实施例中，所述冷却结构还包括第一管道和第二管道，所述第一管道用于向所冷却腔体内通入冷却介质，所述第二管道用于从所冷却腔体内排出冷却介质；所述第一管道和/或所述第二管道分别穿设于所述围板和/或所述盖板。

在其中一个实施例中，所述压电组件包括多个阵元，多个所述阵元以阵列的方式排布；多个所述阵元的间隙之间具有间隙填充物，所述间隙填充物包括填充基体和改性材料，所述改性材料提升所述间隙填充物的耐热性并降低所述间隙填充物的热膨胀系数。

在其中一个实施例中，所述超声换能器还包括匹配层，所述匹配层设置于所述压电组件的所述发射侧；所述匹配层包括匹配基体和改性材料，所述改性材料提升所述匹配层的耐热性并降低所述匹配层的热膨胀系数。

在其中一个实施例中，所述改性材料包括二氧化硅微珠、玻璃纤维和/或聚醚砜微粒；所述填充基体和/或匹配基体的材质为环氧树脂。

在其中一个实施例中，所述压电组件还包括连接线路，所述连接线路的一端与多个所述阵元分别连接；所述连接线路的另一端依次穿过所述背衬和所述散热组件并由所述散热组件穿出，或者所述连接线路的另一端穿过所述背衬并由所述背衬穿出。

上述超声换能器，压电组件将电能转化为声能进而发出超声波，压电组件在能量转化的过程中同时产生一定的热量。压电组件产生的热量通过背衬依次传递至散热组件中的传热结构以及冷却结构，进而实现了压电组件工作过程中的快速散热，有效保持超声换能器在安全温度内工作，避免热量的积聚造成超声换能器内部结构不可修复的损坏。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的超声换能器立体结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的超声换能器隐藏背衬的立体结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的超声换能器隐藏背衬和围板的立体示意图；

图4为本发明一实施例提供的超声换能器隐藏背衬和冷却结构的立体示意图；

图5为本发明一实施例提供的超声换能器隐藏顶板的立体示意图；

图6为本发明一实施例提供的压电组件和匹配层放大结构示意图；

图7为本发明一实施例提供的连接线路从背衬侧面伸出的示意图。

其中：10、超声换能器；100、压电组件；110、阵元；120、间隙填充物；200、背衬；300、散热组件；310、传热结构；311、传热板；312、吸热凸起；313、散热凸起；320、冷却结构；321、围板；322、盖板；323、第一管道；324、第二管道；400、匹配层；500、连接线路。

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，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是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，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”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，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，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。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，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。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

超声换能器不可避免的长时间持续工作或者在较高温度环境下使用。因此超声换能器需要良好的耐热性能和/或良好的散热性能，以避免超声换能器内部的元器件在使用过程中损坏。

如图1-3所示，本发明一实施例提供一种超声换能器10，包括压电组件100、背衬200以及散热组件300。压电组件100是将电能转化为超声波的直接结构。具体的，压电组件100具有发射侧和背向侧，发射侧在通电条件下发出超声波执行检测任务，背向侧在通电状态下也能发出超声波，但背向侧发出的超声波一般被吸收掉，背向侧与背衬200连接进而实现压电组件100的安装。背衬200设置于压电组件100的背向侧，形成对压电组件100的支撑。散热组件300用于将压电组件100在工作过程中产生的热量传递至周围环境中。具体的，散热组件300包括传热结构310和冷却结构320，传热结构310和压电组件100夹设背衬200，传热结构310用于尽量多、尽量快的吸收背衬200中的热量。冷却结构320设置于传热结构310远离背衬200的一侧，冷却结构320通过冷却介质带走传热结构310中的热量，进而实现超声换能器10在工作过程中热量的尽快排出。压电组件100在通电条件下发出的热量依次传递至背衬200、传热结构310以及冷却结构320。

上述超声换能器10，压电组件100将电能转化为声能进而发出超声波，压电组件100在能量转化的过程中同时产生一定的热量。压电组件100产生的热量通过背衬200依次传递至散热组件300中的传热结构310以及冷却结构320，进而实现了压电组件100工作过程中的快速散热，有效保持超声换能器10在安全温度内工作，避免热量的积聚造成超声换能器10内部结构不可修复的损坏。

背衬200主要起到连接压电组件100和散热组件300的作用，既实现压电组件100的固定支撑，同时将压电组件100中产生的热量传递至散热组件300。可选的，如图1-3所示，背衬200通常采用环氧树脂为基材，掺入其他材料后固化制成，为了加强背衬200的导热性，可采用固化后导热性相对较好的环氧树脂，并掺入一些导热性较好的其他材料，如金属粉末、氮化铝粉末等。散热组件300中的传热结构310在浇注的背衬200固化后，嵌入到背衬200当中，两者的连接变得非常牢固。同时压电组件100和背衬200之间也实现牢固的粘接。

传热结构310和冷却结构320是实现超声换能器10快速散热不可或缺的关键零部件。在本发明一实施例中，如图1-4所示，传热结构310包括传热板311、吸热凸起312和散热凸起313，吸热凸起312和散热凸起313分别设置于传热板311的两侧，传热板311和压电组件100夹设背衬200，吸热凸起312插入背衬200，散热凸起313插入冷却结构320内部。传热板311能够实现吸热凸起312和散热凸起313的固定安装，同时吸热凸起312和散热凸起313能够明显增加传热结构310的热交换面积，进而提高超声换能器10的散热效率。传热结构310应该采用导热性较好的、价格相对低廉的材质，如金属或金属合金等。

进一步，如图1-4所示，吸热凸起312和/或散热凸起313的数量为多个，多个吸热凸起312和/或散热凸起313呈薄片状、柱状或者锥状。多个吸热凸起312和/或散热凸起313在传热板311上等间隔分布或者错落分布。多个吸热凸起312和/或散热凸起313还能够形成对背向侧发出超声波的吸收，避免出现超声波反射的现象。作为一种可实现的方式，吸热凸起312和散热凸起313分别为凸出传热板311的多个条形凸起。在其它的实施例中，吸热凸起312和散热凸起313也可以是平行设置的多根导热柱，不必须通过传热板311进行固定连接，背衬200浇筑固化后能够直接固定吸热凸起312和散热凸起313。

在本发明一实施例中，如图1-3及图5所示，冷却结构320呈中空壳体，冷却结构320罩设于传热板311靠近散热凸起313的一侧，冷却结构320和传热板311围设形成冷却空腔，冷却空腔内允许通入并排出冷却介质。冷却介质可以是气体、液体，也可以是能持续保持低温的固体(此时不需要排出冷却介质)。冷却介质能够带走大量的热量，进而保持超声换能器10内部的热平衡。作为一种可实现的方式，冷却结构320包括围板321和盖板322，围板321的一端围设于传热板311靠近散热凸起313的一侧，盖板322封闭围板321的另一端，围板321、盖板322以及传热板311围设形成冷却空腔。散热凸起313直接插入到散热空腔中与冷却介质接触，实现高效的热传递。可选的，传热板311与围板321固定连接或一体成型，和/或围板321和盖板322固定连接或一体成型。当传热板311、围板321以及盖板322任意两者为分体设置并固定连接时，需要在其之间增加密封圈或者密封胶等，避免冷却介质的泄露。

进一步，如图1-3及图5所示，冷却结构320还包括第一管道323和第二管道324，第一管道323用于向所冷却腔体内通入冷却介质，第二管道324用于从所冷却腔体内排出冷却介质。第一管道323和第二管道324便于冷却结构320与外界的冷却液循环结构之间的连接。可选的，第一管道323和/或第二管道324分别穿设于围板321和/或盖板322，只要能够保证冷却介质的顺利流入及排出即可。

在上述各个实施例中，压电组件100可以是整体式压电组件100或者阵列式压电组件100，以下各个实施例仅以阵列式压电组件100进行说明。在本发明一实施例中，如图2-4及图6所示，压电组件100包括多个阵元110，多个阵元110以阵列的方式排布；多个阵元110的间隙之间具有间隙填充物120，间隙填充物120包括填充基体和改性材料，改性材料提升间隙填充物120的耐热性并降低间隙填充物120的热膨胀系数。添加改性材料的间隙填充物120能够避免在温度升高时的变形甚至开裂。进一步，超声换能器10还包括匹配层400，匹配层400设置于压电组件100的发射侧。匹配层400包括匹配基体和改性材料，改性材料提升匹配层400的耐热性并降低匹配层400的热膨胀系数。添加改性材料的匹配层400同样能够避免在温度升高时的变形甚至开裂。可选的，填充基体和匹配基体可以是耐热温度较高的环氧树脂。改性材料包括二氧化硅微珠、玻璃纤维、聚醚砜微粒中的一种或者几种的组合。在本实施例中，多个阵元110形成线阵、面阵或者空间阵列。

在本发明一实施中，如图5及图7所示，压电组件100还包括连接线路500，连接线路500的一端与多个阵元110分别连接，连接线路500的另一端依次穿过背衬200和散热组件300并由散热组件300穿出(图5)，或者连接线路500的另一端穿过背衬200并由背衬200穿出(图7)。对于阵列式压电组件100，连接线路500可以通过柔性电路板与压电组件100电连接。

以下内容对本发明所提供超声换能器10的制作过程进行说明，同时提供一些具体的实施方式。

对于阵列式超声换能器10或采用1-3压电复合材料制成的超声换能器10，在制作时：

1、将完整的压电材料(通常为压电陶瓷、压电单晶)通过机械分割的方式形成一个个独立的阵元110，在阵元110间隙之间填充间隙填充物120，最常用的是有机聚合物环氧树脂。大多数的环氧树脂其热膨胀系数比上述压电材料的要大很多，而且市面上常用的超声换能器10阵元110间隙所填充的环氧树脂，其玻璃化温度也相对较低，因此为了满足较高温度(比如100℃-400℃)情况使用，应选择玻璃化转换温度较高、工作温度较高的环氧树脂，然后在其中按一定质量比或者体积比添加改性材料以降低其膨胀系数，比如添加纯二氧化硅微珠、玻璃纤维、聚醚砜微粒、加有玻璃纤维的聚醚砜微粒等(上述1-3压电复合材料，它的每个阵元110，被横纵交错的分割成等大小的微阵元110，每个微阵元110之间的间隙也同样被间隙填充物120所填充)。

2、在填充改性材料的环氧树脂之后，在特定条件下固定成形，形成阵列，之后在阵列压电组件100的发射侧粘贴一层预先制备好的匹配层400(在有些使用情况下，可以无需匹配层400)，由于匹配层400大多数情况下也是用环氧树脂掺入改性材料后制成的，必要时也可用同样的方式对匹配层400进行一定程度的改性，以适应较高温度环境使用。

3、背衬200与传热结构310的成形

情况一：如图1-5所示，连接线路500从背衬200顶部走线。对于阵列式超声换能器10中最复杂的结构—面阵(也是实施例中举例说明的阵列)，需要使用柔性电路板在连接线路500和阵元110之间做转接，由于柔性电路板的厚度非常之薄(几十微米级)，所以通常对超声换能器10的性能影响不大，如图3所示是一种典型面阵超声换能器10的引线方式。

在柔性电路板上的焊点与阵元110一一对应的焊接好后，把连接线路500穿过带过孔的传热结构310，将连接线路500中的多根信号线按照所要求的线序与柔性电路板的外接焊点一一对应焊接。之后用浇注模具在传热结构310和阵列排布的阵元110之间浇注背衬200材料。把浇注背衬200材料之后的所有组件放入真空室，对背衬200材料进行除气，以便背衬200能渗入到各个角落，比如柔性电路板和阵列排布的阵元110之间的间隙。在背衬200材料浇注时，柔性电路板应尽可能垂直压电阵列所在平面，避免出现歪倒的情况。本实施例中的背衬200与传热结构310的成形方法适用上述所有类型的超声换能器10。连接线路500中的多根信号线与柔性电路板各外接焊点相连，连接线路500末端的信号线被封在背衬200中，使得两者能被固定，不会因为外力拉扯导致连接线路500末端的信号线与柔性电路板发生脱离、破裂。

背衬200通常采用环氧树脂为基材，掺入其他材料(改性材料)后固化制成，为了加强背衬200的导热性，可采用固化后导热性相对较好的环氧树脂，并掺入一些导热性较好的改性材料，如金属粉末、氮化铝粉末等。传热结构310在浇注的背衬200固化后，嵌入到背衬200当中，两者的连接变得非常牢固。传热结构310应该采用导热性较好的、价格相对低廉的材质，如金属或金属合金等。为了增加传热结构310的性能，散热凸起313和吸热凸起312可适当的增加高度、密集度，有利于吸收阵元110背向侧发射出来的超声波(阵元110工作时会在发射侧和背向侧同时发射超声波)。值得说明的是，由于传热结构310这种能吸声波的结构，即使阵列式排布的阵元110在一个曲面排列(如球面)，也无需将传热结构310制成与阵列一样的曲面结构，同时也不会影响超声换能器10阵元110发射侧声波的性能。

上述传热结构310的结构也能增加散热和吸热的速度，传热板311可以适当的厚一点，可增加热量在传热结构310中的暂存量，传热板311与超声换能器10阵列的间距应视情况而调整，传热板311四周应有多个均匀分布的螺孔(图中未示出)，方便冷却结构320的安装。

情况二：如图7所示，连接线路500从背衬200侧向引出，此时传热结构310不再需要连接线路500的过孔，其他步骤与情况一基本一致。

4、冷却结构320的安装

冷却结构320分为围板321和盖板322。为了加强围板321与传热结构310的连接，围板321与传热结构310中传热板311接触的四周应具有与传热板311对应螺孔(图中未示出)，在螺孔中安置螺钉。为进一步防止后续冷却介质渗出的可能，在安置螺丝时可在螺孔中、围板321与传热板311接触的地方均匀涂抹粘胶或环氧树脂。传热结构310与背衬200可通过粘胶或环氧树脂粘接，若要更进一步加强冷却结构320结构的稳定性，也可在背衬200浇注的时候让围板321与背衬200接触的一端嵌入到背衬200中。值得说明的是，如果想更加简单的安装且更进一步的增加散热，可将冷却结构320与传热结构310制成为一体，为同一个部件，即传热结构310也是冷却结构320。冷却结构320的围板321和盖板322可通过螺孔和螺丝来固定连接，为增加密封性，可在盖板322闭合处涂抹较为容易消除的粘胶，如硅橡胶。

如果结构是步骤3中的情况一，则盖板322应同样具有一个连接线路500过孔，过孔直径应比连接线路500外径略小或相同，因为连接线路500外层通常是柔性材质，即便过孔外径比连接线路500直径略小，连接线路500也可通过，这样可以增加连接线路500与盖板322过孔的接触。随后可在连接线路500与过孔接触处涂抹较为容易消除的粘胶，如硅橡胶。如果后期传热结构310需要进行清洁，可将盖板322螺丝取出，随后用解胶剂(如丙酮，可有效地辅助清除硅橡胶)清除盖板322闭合处与过孔的粘胶，可轻松取下盖板322，对传热结构310进行清洁。

如果结构是步骤3种的情况二，则盖板322无需连接线路500过孔，后期盖板322拆卸更加简便。

5、待所有部件组装完毕后，可在冷却结构320的第一管道323中注入冷却介质，第一管道323和第二管道324一进一出，若想进一步增加散热速度，可适当增加第一管道323和第二管道324的数量，冷却介质进入管道和流出管道的分布，最好在对向的两侧。

本发明中匹配层400、间隙填充物120、背衬200及其他粘接用到的环氧树脂，应具有耐高温、玻璃化温度较高的特点，如型号为Duralco 4703的环氧树脂(使用温度接近350℃)等。

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。