專利名稱：一種匹配層異步固化的超聲波換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波換能器，特別是涉及一種匹配層異步固化的超聲波換能器。
背景技術(shù)：
超聲波換能器是一種可以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的裝置，它通過內(nèi)部壓電振子的壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)與超聲波信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。超聲波換能器制造時(shí)通常是先選擇好具有一定共振頻率的壓電振子，從壓電振子的兩極引出兩根電極引線，然后在壓電振子的其中一面添加一層或多層匹配層，在壓電振子的另外一面添加背襯。目前，利用上述方法制作的超聲波換能器存在一個(gè)缺點(diǎn)，即作為匹配材料的環(huán)氧樹脂固化時(shí)體積會(huì)收縮，使得最終得到的匹配層與壓電振子之間存在一定的間隙，聲波從 壓電振子中發(fā)射后，會(huì)在這一間隙中來回反射并且消耗較多的聲能，從而大大降低超聲波換能器的靈敏度，甚至導(dǎo)致?lián)Q能器無法正常工作。目前針對(duì)這種情況所提出的超聲波換能器的一種改進(jìn)措施是待匹配層一定程度的固化后再放入壓電振子，以減少匹配材料固化收縮的影響；另外一種改進(jìn)措施是對(duì)匹配材料的配方進(jìn)行優(yōu)化，選用固化壓縮比小的材料；還有的產(chǎn)品提前將匹配層制成固體圓柱形薄片，使用時(shí)利用粘合劑將匹配層粘結(jié)在壓電振子上即可。但上述改進(jìn)方法尚存在一些不足雖然待匹配層一定程度的固化后再放入壓電振子可以減少材料收縮的程度，但匹配層的固化需要消耗時(shí)間，降低了生產(chǎn)效率；選用固化壓縮比小的材料只能在一定程度上減小材料固化收縮的程度，無法從根本上解決這一問題；由于匹配層厚度較小，提前將匹配層制成固體薄片對(duì)加工精度要求較高，且機(jī)加工會(huì)大大增加成本，粘合時(shí)所用粘合劑的聲阻抗特性如果與匹配材料不同也會(huì)對(duì)換能器的性能造成影響，甚至導(dǎo)致?lián)Q能器靈敏度的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種匹配層異步固化的超聲波換能器，解決匹配層固化收縮時(shí)與壓電振子之間產(chǎn)生間隙的問題，保證匹配層與壓電振子之間的可靠接觸。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
在換能器殼體內(nèi)自底部向上依次設(shè)有位于底部的匹配層、壓電振子和背襯；壓電振子上部用導(dǎo)線從背襯中引出；所述換能器殼體為階梯狀換能器殼體，在階梯狀換能器殼體的臺(tái)肩周邊開有補(bǔ)膠通道陣列，壓電振子安裝在補(bǔ)膠通道陣列上，壓電振子底部與匹配層之間以及壓電振子外圓柱面與階梯狀換能器殼體大端內(nèi)圓柱面之間均充有補(bǔ)膠層，階梯狀換能器殼體大端內(nèi)圓柱面與壓電振子上部和壓電振子外圓柱面之間為背襯。在階梯狀的換能器殼體內(nèi)自底部向上設(shè)有位于底部的匹配層，階梯狀換能器殼體的臺(tái)肩周邊開有補(bǔ)膠通道陣列，壓電振子安裝在補(bǔ)膠通道陣列上，壓電振子底部與匹配層之間以及壓電振子外圓柱面與階梯狀換能器殼體大端內(nèi)圓柱面之間均充有補(bǔ)膠層，階梯狀換能器殼體大端內(nèi)圓柱面與壓電振子上部和壓電振子外圓柱面之間為背襯，壓電振子上部用導(dǎo)線從背襯中引出。所述匹配層為扁圓柱體，軸向高度為超聲波在該匹配材料內(nèi)傳播波長(zhǎng)的1/4，其扁圓柱體的上表面由于匹配材料的固化收縮而呈內(nèi)凹形。所述補(bǔ)膠通道陣列由3 4個(gè)矩形或圓弧形開口槽組成，是對(duì)稱或者不對(duì)稱分布，每個(gè)補(bǔ)膠通道中均填充有補(bǔ)膠層材料。所述補(bǔ)膠層由兩部分組成，一部分位于壓電振子底部與匹配層之間的補(bǔ)膠層剛好填充滿壓電振子底部與匹配層之間的間隙；另一部分位于壓電振子外圓與階梯狀換能器殼體大端孔之間的補(bǔ)膠層為環(huán)狀的，環(huán)狀補(bǔ)膠層的軸向高度為壓電振子厚度的2/3 3/4 ;所述兩部分補(bǔ)膠層通過補(bǔ)膠通道陣列相連接。本發(fā)明具有的有益效果是· I、解決了匹配層固化收縮時(shí)與壓電振子之間產(chǎn)生間隙的問題，保證了匹配層與壓電振子之間的可靠接觸，提高了超聲波換能器的靈敏度和可靠性。2、工序簡(jiǎn)單，節(jié)省時(shí)間，無需機(jī)加工，節(jié)約成本，提高了生產(chǎn)效率。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于超聲波水表、超聲波熱量表、超聲波戶用燃?xì)獗?、超聲波氣體流量計(jì)等領(lǐng)域，特別適用于超聲波衰減強(qiáng)烈、信號(hào)幅值低的測(cè)量場(chǎng)合。


圖I是固化前的匹配層與壓電振子示意圖。圖2是固化后的匹配層與壓電振子示意圖。圖3是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)正視示意圖。圖4是圖3除背襯、導(dǎo)線以外的結(jié)構(gòu)俯視示意圖。圖5是本發(fā)明的制造流程圖。圖中1、匹配層，2、壓電振子，3、臺(tái)肩，4、導(dǎo)線，5、背襯，6、換能器殼體，7、補(bǔ)膠通道陣列，8、澆注槽，9、補(bǔ)膠層。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。在超聲波換能器中，由于壓電振子2為陶瓷材料，其聲阻抗值與待測(cè)流體的聲阻抗值往往相差較大，聲波在進(jìn)入待測(cè)流體時(shí)會(huì)有較大的能量損失，使聲波透射能量大幅降低，從而大大降低超聲波換能器的靈敏度。因此在超聲波換能器中需要加入匹配層1，使換能器和工作介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)聲學(xué)匹配，以大幅提升換能器聲波能量的利用率。目前，超聲波換能器的匹配材料一般都是由環(huán)氧樹脂、金屬添加劑、固化劑按照一定的比例混合均勻后得到的。剛混合好的匹配材料是以環(huán)氧樹脂為主的粘稠狀的半液態(tài)膠質(zhì)，具有一定的粘性和流動(dòng)性，在室溫下固化較慢，在加熱條件下則能在兩小時(shí)內(nèi)完全固化。根據(jù)有機(jī)化學(xué)知識(shí)，大部分高分子在發(fā)生聚合反應(yīng)時(shí)，都會(huì)隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行而產(chǎn)生體積收縮。環(huán)氧樹脂的固化就是一個(gè)聚合反應(yīng)，雖然其開環(huán)聚合的單體收縮量要小得多，但是在固化反應(yīng)中也要收縮5%左右。另外，考慮到固體材料的分子間距小于液體材料的分子間距，匹配材料由液體狀固化為固體狀時(shí)體積還會(huì)再進(jìn)行收縮，其最終的整體體積收縮量可能達(dá)到10%左右。如圖I所示，超聲波換能器通常是先利用液態(tài)的匹配材料澆注出匹配層1，然后放入壓電振子2，此時(shí)匹配層I與壓電振子2之間是緊密接觸的。然后，環(huán)氧樹脂與固化劑之間相互作用發(fā)生聚合反應(yīng)，匹配層I開始固化。如圖2所示，隨著聚合反應(yīng)的進(jìn)行，匹配層I收縮并逐漸與壓電振子2脫離接觸，最終在壓電振子2與固體匹配層I之間產(chǎn)生一曲面間隙。聲波從壓電振子2中發(fā)射后，會(huì)在這一間隙中來回反射并且消耗較多的聲能，從而大大降低超聲波換能器的靈敏度，甚至導(dǎo)致?lián)Q能器無法正常工作。所以需要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀苊馄ヅ鋵覫固化收縮后與壓電振子2之間產(chǎn)生間隙。如圖3、圖4所示，本發(fā)明涉及的一種超聲波換能器，在換能器殼體內(nèi)自底部向上依次設(shè)有位于底部的匹配層I、壓電振子2和背襯5 ;壓電振子2上部用導(dǎo)線4從背襯5中 引出；其特征在于所述換能器殼體為階梯狀換能器殼體6，在階梯狀換能器殼體6的臺(tái)肩3周邊開有補(bǔ)膠通道陣列7，壓電振子2安裝在補(bǔ)膠通道陣列7上，壓電振子2底部與匹配層I之間以及壓電振子2外圓柱面與階梯狀換能器殼體6大端內(nèi)圓柱面之間均充有補(bǔ)膠層9，階梯狀換能器殼體6大端內(nèi)圓柱面與壓電振子2上部和壓電振子2外圓柱面之間為背襯5。本發(fā)明的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括換能器殼體6、匹配層I、補(bǔ)膠通道陣列7、澆注槽8及補(bǔ)膠層9。所述換能器殼體6為階梯狀的，底部設(shè)有澆注匹配層I用的澆注槽8，在大端孔與底部孔的交接處設(shè)有放置壓電振子2用的臺(tái)肩3。所述匹配層I為扁圓柱體，與階梯狀換能器殼體底部的澆注槽8軸向高度相同，等于超聲波在該匹配材料內(nèi)傳播波長(zhǎng)的1/4，其扁圓柱體的上表面由于匹配材料的固化收縮而呈內(nèi)凹形。所述補(bǔ)膠通道陣列7由3 4個(gè)矩形或圓弧形開口槽組成，是對(duì)稱或者不對(duì)稱分布，每個(gè)補(bǔ)膠通道中均填充有補(bǔ)膠層材料。補(bǔ)膠通道陣列7的尺寸不能太大或太小。由于所用的匹配材料固化前為具有粘性的膠狀液體材料，流經(jīng)補(bǔ)膠通道陣列7的開口槽時(shí)會(huì)受表面張力的作用，若補(bǔ)膠通道陣列7的尺寸太小則匹配材料會(huì)無法正常通過。另一方面，若補(bǔ)膠通道陣列7的尺寸太大，會(huì)增大所連接的匹配層I與補(bǔ)膠層9之間的接觸面積，在匹配材料固化的過程中，上下層材料之間互相滲透會(huì)比較嚴(yán)重，從而改變補(bǔ)膠層9的固化時(shí)間，影響補(bǔ)膠效果。本發(fā)明中，補(bǔ)膠通道陣列7每個(gè)開口槽的面積為4飛_2。所述補(bǔ)膠層9由兩部分組成，一部分位于壓電振子2底部與匹配層I之間的補(bǔ)膠層9剛好填充滿壓電振子2底部與匹配層I之間的間隙；另一部分位于壓電振子2外圓與階梯狀換能器殼體6大端孔之間的補(bǔ)膠層9為環(huán)狀的，環(huán)狀補(bǔ)膠層9的軸向高度為壓電振子2厚度的2/3 3/4 ;所述兩部分補(bǔ)膠層通過補(bǔ)膠通道陣列7相連接。所述的匹配材料通過加入不同比例的固化劑，以獲得不同的固化時(shí)間。在一定范圍內(nèi)，環(huán)氧樹脂的固化時(shí)間是由固化劑的用量決定的加入的固化劑越多，環(huán)氧樹脂固化的越快；反之，則環(huán)氧樹脂固化的越慢。因此，可以通過調(diào)整環(huán)氧樹脂與固化劑的比例來獲得具有不同固化時(shí)間的匹配材料。
本發(fā)明所涉及的匹配材料按固化時(shí)間的不同分為兩種，分別用于澆注匹配層I和補(bǔ)膠層9。由于聲阻抗特性作為超聲波換能器匹配層I的關(guān)鍵參數(shù)之一，會(huì)對(duì)換能器的靈敏度、可靠性和一致性造成極大影響，故所述的兩種匹配材料除固化時(shí)間不同外，聲阻抗特性必須保持一致，以保證換能器具有良好的性能。上述兩種匹配材料均為環(huán)氧樹脂、金屬氧化物或金屬單質(zhì)與固化劑按照預(yù)定比例混合均勻后得到的。混合后匹配材料的聲阻抗特性主要取決于環(huán)氧樹脂與金屬氧化物或金屬單質(zhì)的配比，而固化劑則主要起到使環(huán)氧樹脂快速固化的作用。所述的預(yù)定比例為環(huán)氧樹脂、金屬氧化物或金屬單質(zhì)與固化劑之間的質(zhì)量比，可以根據(jù)實(shí)際的性能要求進(jìn)行確定。本發(fā)明中，不同匹配材料之間所使用的環(huán)氧樹脂、金屬氧化物或金屬單質(zhì)、固化劑的類型是完全相同的，環(huán)氧樹脂與金屬氧化物或金屬單質(zhì)的質(zhì)量比也是相同的，只有固化劑的配比不同，而且固化劑在最后制得的匹配材料中所占的質(zhì)量比較低(在8%以內(nèi))。因此，兩種匹配材料中固化劑用量差異對(duì)匹配材料聲阻抗特性的影響可以忽略。參照?qǐng)D5，示出了本發(fā)明的一種實(shí)施例的制造流程圖，包括步驟
步驟SI、按照預(yù)定比例調(diào)配匹配材料，得到粘稠狀的半液態(tài)膠質(zhì)。 步驟S2、向澆注槽8內(nèi)澆注匹配層I。所用的匹配材料為固化時(shí)間較短的。步驟S3、在超聲波換能器殼體6內(nèi)放置壓電振子2。步驟S4、澆注補(bǔ)膠層9。所用的匹配材料為固化時(shí)間較長(zhǎng)的。步驟S5、焊接導(dǎo)線4并澆注背襯5。通過上述步驟，完成超聲波換能器的匹配層I和補(bǔ)膠層9澆注、壓電振子2放置、導(dǎo)線4焊接及背襯5填充，然后加熱進(jìn)行固化。固化過程中，由于各層匹配材料的固化時(shí)間不同，澆注槽8中的匹配層I首先固化并與壓電振子2之間產(chǎn)生間隙。此時(shí)，補(bǔ)膠層9中的匹配材料尚未固化，這部分匹配材料即通過補(bǔ)膠通道陣列7流入所產(chǎn)生的間隙中。利用補(bǔ)膠層9中的膠液對(duì)匹配層I固化收縮產(chǎn)生的間隙進(jìn)行填補(bǔ)，從而保證匹配層I與壓電振子2的可靠接觸，提高超聲波換能器的靈敏度和可靠性。
權(quán)利要求
1.一種匹配層異步固化的超聲波換能器，在換能器殼體內(nèi)自底部向上依次設(shè)有位于底部的匹配層(I)、壓電振子(2)和背襯(5);壓電振子(2)上部用導(dǎo)線(4)從背襯(5)中引出；其特征在于所述換能器殼體為階梯狀換能器殼體(6)，在階梯狀換能器殼體(6)的臺(tái)肩(3)周邊開有補(bǔ)膠通道陣列(7)，壓電振子(2)安裝在補(bǔ)膠通道陣列(7)上，壓電振子(2)底部與匹配層(I)之間以及壓電振子(2)外圓柱面與階梯狀換能器殼體(6)大端內(nèi)圓柱面之間均充有補(bǔ)膠層(9)，階梯狀換能器殼體(6)大端內(nèi)圓柱面與壓電振子(2)上部和壓電振子(2)外圓柱面之間為背襯(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種匹配層異步固化的超聲波換能器，其特征在于所述匹配層(I)為扁圓柱體，軸向高度為超聲波在該匹配材料內(nèi)傳播波長(zhǎng)的1/4，其扁圓柱體的上表面由于匹配材料的固化收縮而呈內(nèi)凹形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種匹配層異步固化的超聲波換能器，其特征在于所述補(bǔ)膠通道陣列(7)由3 4個(gè)矩形或圓弧形開口槽組成，是對(duì)稱或者不對(duì)稱分布，每個(gè)補(bǔ)膠通道中均填充有補(bǔ)膠層材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種匹配層異步固化的超聲波換能器，其特征在于所述補(bǔ)膠層(9)由兩部分組成，一部分位于壓電振子(2)底部與匹配層(I)之間的補(bǔ)膠層(9)剛好填充滿壓電振子(2)底部與匹配層(I)之間的間隙；另一部分位于壓電振子(2)外圓與階梯狀換能器殼體(6)大端孔之間的補(bǔ)膠層(9)為環(huán)狀的，環(huán)狀補(bǔ)膠層(9)的軸向高度為壓電振子(2)厚度的2/3 3/4 ;所述兩部分補(bǔ)膠層(9)通過補(bǔ)膠通道陣列(7)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種匹配層異步固化的超聲波換能器。在階梯狀的換能器殼體內(nèi)自底部向上設(shè)有位于底部的匹配層，階梯狀換能器殼體的臺(tái)肩周邊開有補(bǔ)膠通道陣列，壓電振子安裝在補(bǔ)膠通道陣列上，壓電振子底部與匹配層之間以及壓電振子外圓柱面與階梯狀換能器殼體大端內(nèi)圓柱面之間均充有補(bǔ)膠層，階梯狀換能器殼體大端內(nèi)圓柱面與壓電振子上部和壓電振子外圓柱面之間為背襯。它解決了匹配層固化收縮時(shí)與壓電振子之間產(chǎn)生間隙的問題，保證了匹配層與壓電振子之間的可靠接觸，提高了超聲波換能器的靈敏度和可靠性，可廣泛應(yīng)用于超聲波水表、超聲波熱量表、超聲波戶用燃?xì)獗?、超聲波氣體流量計(jì)等領(lǐng)域，特別適用于超聲波衰減強(qiáng)烈、信號(hào)幅值低的測(cè)量場(chǎng)合。
文檔編號(hào)B06B1/06GK102873018SQ20121034578
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者傅新, 何俊, 胡亮, 王利軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)