CN109926298B - 一种模式转换超声换能器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于超声换能技术领域，公开了一种模式转换超声换能器及其制造方法。模式转换超声换能器包括壳体、模式转换压电片和电路板，所述模式转换压电片设置于所述壳体内，所述电路板连接于所述模式转换压电片；所述模式转换压电片包括多个压电块，所述模式转换压电片的一面设置有用于供所述电路板插入的插槽，所述插槽的两侧为所述压电块的电极，所述电路板插于所述插槽且与所述电极相接。制造方法用于制造上述模式转换超声换能器。本发明所提供的一种模式转换超声换能器及其制造方法，压电块的电极采用电路板引出，保证每个压电块阻抗的一致性，利用模式转换的方式，不出现栅瓣，从而获得好的声场聚焦性能。

Description

一种模式转换超声换能器及其制造方法

技术领域

本发明属于超声换能技术领域，尤其涉及一种模式转换超声换能器及其制造方法。

背景技术

面阵超声系统的核心是二维面阵超声换能器，目前大规模二维面阵超声换能器的难题在于如何保证阵元振动模式单纯、每个阵元一致性、阵元引线方法简单可靠、换能器声场聚焦偏转不产生严重的旁瓣和栅瓣。一个二维面阵探头通常由一个至上千个单独的压电阵元组成，并且每个阵元的长宽尺寸都非常小，如何保证各阵元的一致性并使每个压电阵元的电极引出是一个难题。传统方案则是将压电阵元的正负极直接连接到外部电缆，当超声换能器的阵元数目较为庞大时，若采用全接线方式为每个阵元独立接线，使每个阵元都产生独立脉冲信号，由于压电片的电极不可靠导致焊接的不可靠，并且直接焊接也不能保证每个阵元引线的一致性。并且传统的制备方案很难保证阵元间隔小于不产生旁瓣所需的最小间隔，也就不能保证超声换能器可以获得好的聚焦偏转声场。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种模式转换超声换能器及其制造方法，超声换能器可以获得好的聚焦偏转声场。

本发明的技术方案是：一种模式转换超声换能器，包括壳体、模式转换压电片、电路板，所述模式转换压电片设置于所述壳体内，所述电路板连接于所述模式转换压电片；所述模式转换压电片包括多个压电块，所述模式转换压电片的一面设置有用于供所述电路板插入的插槽，所述插槽的两侧为所述压电块的电极，所述电路板插于所述插槽且与所述电极相接。

可选地，所述电路板的一面设置有正极引线，所述电路板的另一面设置有负极引线，所述电路板连接有线缆或汇流板。

可选地，所述插槽设置有至少两条，各所述插槽平行设置且将各所述压电块分隔为至少三行，所述插槽的两侧分别为正极导电层和负极导电层，所述正极导电层与一行所述压电块的一侧面相接，所述负极导电层与相邻的另一行所述压电块一侧面相接，且同一行所述压电块，其两相对的侧面分别为正极导电层和负极导电层。

可选地，所述模式转换压电片的底面设置有匹配层。

可选地，所述压电块设置有多行多列，相邻列之间的所述压电块由绝缘物连接。

可选地，所述电路板为柔性电路板，且/或,所述壳体采用磁兼容材料制成。

可选地，所述壳体包括外壳和连接于所述外壳的顶盖，所述模式转换压电片设置于所述外壳的平整底面内，所述电路板垂直所述模式转换压电片插于所述插槽内，所述线缆穿设于所述顶盖且连接于所述电路板两侧的正极引线和负极引线。

本发明实施例还提供了一种模式转换超声换能器的制造方法，包括以下步骤：

制备壳体、电路板和具有插槽且所述插槽两侧为压电块电极的模式转换压电片；

将所述模式转换压电片置于所述壳体内；

将电路板插于所述模式转换压电片的插槽内，使电路板与所述压电块的电极连接。

可选地，制备所述模式转换压电片包括以下步骤：

制备压电片，在所述压电片的正面沿第一方向开设第一隔槽，于所述第一隔槽内填充导电物；于所述压电片的正面沿第二方向开设与所述第一隔槽相交的第二隔槽，于所述第二隔槽内填充绝缘物；

将所述压电片背面的设定厚度的材料去除，在所述压电片背面设置匹配层；

沿所述第一隔槽在所述导电物上设置插槽，使所述导电物被所述插槽隔为贴附于相邻行的压电块侧面的正极导电层和负极导电层。

可选地，所述电路板的两面分别设置有多根正极引线和多根负极引线，将所述电路板插于所述插槽时，各所述正极引线分别通过导电材料与同一行中各所述压电块一侧的所述正极导电层相接，各所述负极引线分别通过导电材料与另一行中各所述压电块一侧的所述负极导电层相接；将线缆连接于所述电路板。

可选地，所述电路板为柔性电路板。

可选地，将模式转换压电片放置于底部具有平面的壳体内压平，电路板于所述模式转换压电片装入壳体前或装入壳体后插于插槽。

本发明所提供的一种模式转换超声换能器及其制造方法，压电块的电极采用电路板(双面柔性电路板)在宽度方向上引出，保证每个压电块阻抗的一致性，利用模式转换的方式，不出现栅瓣，从而获得好的声场聚焦性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种模式转换超声换能器的立体装配示意图；

图2是本发明实施例提供的一种模式转换超声换能器的立体分解示意图；

图3是本发明实施例提供的一种模式转换超声换能器的立体分解局部剖视图；

图4是本发明实施例提供的一种模式转换超声换能器的制造方法中压电片的立体示意图；

图5是图4中压电片开设第一隔槽后的立体示意图；

图6是图5中压电片在第一隔槽中填充导电物后的立体示意图；

图7是图6中压电片开设第二隔槽后的立体示意图；

图8是图7中压电片在第二隔槽中填充绝缘物后的立体示意图；

图9是图8中压电片去除背面设定厚度材料后的立体示意图；

图10是图9中压电片背面设置匹配层后的立体示意图；

图11是图10中压电片正面设置插槽后形成模式转换压电片的立体示意图；

图12是本实施例中电路板的立体示意图；

图13是本实施例中电路板的立体示意图；

图14是本实施例中电路板插于模式转换压电片的插槽时的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”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。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1至图3所示，本发明实施例提供的一种模式转换超声换能器，包括壳体1、模式转换压电片2、电路板3和线缆4，模式转换压电片2设置于壳体1内，电路板3连接于模式转换压电片2，线缆4可以直接或通过汇流电路板(汇流器)等间接连接于电路板3。模式转换压电片2可包括多个矩阵间隔排布的压电块20，模式转换压电片2的一面设置有用于供电路板3插入的插槽201，插槽201的两侧为压电块20的电极，电路板3的两面设置有电极引线，电路板3插于插槽201且与压电块20的电极相接。模式转换压电片2可以采用压电陶瓷制成,利用压电陶瓷具有很多振动模态的特性，通过压电陶瓷的模式转换来设计二维面阵超声换能器，每个阵元(压电块20)的电极采用电路板3(双面柔性电路板)在宽度方向上引出，保证每个阵元(压电块20)阻抗的一致性，利用模式转换的方式，设置压电复合材料的电极在宽度方向上(这个方向的宽度可以设置小于不产生栅瓣的声学参数要求的宽度以内，具体可以根据实际情况设定)，但我们关注的声辐射方向为压电材料的厚度方向，这样就保证不出现栅瓣，继而获得好的声场聚焦性能。

可选地，同一插槽201的一侧为同一行压电块20的正极导电层211，同一插槽201的另一侧为相邻一行压电块20的负极导电层212。电路板3的一面设置有多组间隔均布的正极引线31，电路板3的另一面设置有多组间隔均布的负极引线32。每一组正极引线31直接或通过导电连接物(例如导电胶)与其中一压电块20一侧面的正极导电层211连接。每一组负极引线32与一压电块20一侧面的负极导电层212直接或通过导电连接物(例如导电胶)连接。电路板3可以垂直于模式转换压电片2并插于插槽201。同一行中相邻压电块20、正极导电层211和负极导电层212均由绝缘物220隔开，绝缘物220可以设置有多列。绝缘物220可以是绝缘聚合物或空气。需要说明的是，本实施例中行、列仅为相对概念，不应解理为具有限制作用。

可选地，插槽201设置有至少两条，各插槽201平行设置且将各压电块20分隔为至少三行，插槽201的两侧分别为相互隔开的正极导电层211和负极导电层212，插槽201一侧的正极导电层211与一行压电块20的一侧面相贴接触，插槽201另一侧的负极导电层212与相邻的另一行压电块20一侧面相贴接触。除边缘的压电块200外，同一行压电块20，其两相对的侧面分别有正极导电层211和负极导电层212，各压电块20可矩阵排布，在行的方向由插槽201和电极导电层隔开，在列的方向由绝缘物220隔开并连接。

可选地，模式转换压电片2的底面设置有匹配层5。匹配层5的厚度满足声学性能要求的厚度。匹配层5的作用一方面是保证声能量可以更加有效的输出；另一方面是作为复合材料(模式转换压电片2)的基底，在隔槽划分电极之后支撑复合材料。可选地，在匹配层5的表面也可以设置有声透镜，声透镜可以增加探头的聚焦效果。

本实施例中，模式转换压电片2可呈矩形，压电块20设置有多行多列，相邻列之间的压电块20由绝缘物220连接并隔开。

可选地，本实施例中电路板3可为柔性电路板或普通PCB。

可选地，壳体1可采用磁兼容材料制成，例如塑料、电木等。

可选地，壳体1包括外壳11和连接于外壳11的顶盖12，外壳11内具有平整底面，模式转换压电片2设置于外壳11的平整底面内，电路板3垂直模式转换压电片2插于插槽201内，线缆4穿设于顶盖12且连接于电路板3两侧的正极引线31和负极引线32，其排布规整。壳体1可呈长方体状、圆柱柱等。

如图1至图3所示，本发明实施例还提供了一种模式转换超声换能器的制造方法，可用于制造上述的模式转换超声换能器，包括以下步骤：

制备壳体1、电路板3、线缆4和具有插槽201且插槽201两侧为压电块20电极的模式转换压电片2；

将模式转换压电片2置于壳体1内；

将电路板3插于模式转换压电片2的插槽201内，使电路板3与压电块20的电极连接；

将线缆4连接于电路板3。

可选地，制备模式转换压电片2包括以下步骤：

参考图3至图8所示，制备压电片210，在压电片210的正面沿第一方向开设多个第一隔槽231，第一隔槽231的间隔和深度可由换能器的声学特性决定，切割出的M行压电陶瓷柱由设定的阵元矩阵决定，于第一隔槽231内填充导电物230(导电聚合物)；导电聚合物一方面可以连接M行陶瓷柱，另一方面可以用于制备压电材料的电极(正极导电层211和负极导电层212)。通过这个电极(正极导电层211和负极导电层212)可以给压电材料施加激励，刺激压电片210产生超声辐射力。于压电片210的正面沿第二方向开设与第一隔槽231相交的多个第二隔槽241，第二隔槽241的间隔和深度可由换能器的声学特性决定，切割出的N列压电陶瓷柱由设定的阵元矩阵决定，于第二隔槽241内填充绝缘物220(绝缘聚合物)；绝缘聚合物一方面可以连接N列陶瓷柱，另一方面用于抑制阵元(压电块20)之间的串声干扰，再一方面用于将N列电极(导电物230)划分开，保证M*N的压电陶瓷柱矩阵的每个阵元(压电块20)拥有独立的正负极电极面(正极导电层211和负极导电层212)。通过这个电极(正负极电极面)可以给压电材料(压电块20)施加激励，刺激压电片210产生超声辐射力。第一隔槽231、第二隔槽241的深度可以相等。

参考图9所示，将压电片210背面的设定厚度的材料去除，将压电片210至少磨削至第一隔槽231、第二隔槽241的底面，如图10所示，再在压电片210背面设置匹配层5，匹配层5的作用一方面是保证声能量可以更加有效的输出；另一方面是作为复合材料(模式转换压电片2)的基底，在隔槽划分电极之后支撑复合材料；

如图11所示，沿第一隔槽231在导电物230上设置插槽201，使导电物230被插槽201隔为贴附于相邻行的压电块20侧面的正极导电层211和负极导电层212。

可选地，设置插槽201可包括以下步骤：将第一隔槽231中填充的导电聚合物沿其中线进行分割形成插槽201，切割的插槽201比第一隔槽231窄并且深度方向切穿第一隔槽231填充的导电聚合物。这样就可以将第一隔槽231填充的导电聚合物分为两部分，分别作为相邻接触的压电块20的电极(正极导电层211和负极导电层212)。

可选地，如图12至14所示，电路板3的两面分别设置有多根正极引线31和多根负极引线32，电路板3为双面电路板，将电路板3插于插槽201时，各正极引线31分别通过导电材料或直接与同一行中各压电块20一侧的正极导电层211相接，各负极引线32分别通过导电材料或直接与另一行中各压电块20一侧的负极导电层212相接。导电材料可为导电胶等。

可选地，电路板3可为双面柔性电路板3或普通双面PCB板。采用双面电路板3将压电片210的正负电极引线，电路板3两面有相对应的电极引线，若一面的电极规定为正极，则相对应面的电极规定为负极。将各双面电路板3一次安装在M行切割的卡槽中，电路板3与卡槽之间为小间隙配合或过盈配合，有一定的机械接触，然后使用导电材料将电路板3的电极引线和阵元的电极导电层(正极导电层211和负极导电层212)粘接。这样一方面可以起到定位作用，一方面可以保证电极引线和电极导电层的导通性。最终可以将每个阵元的电极导电层通过这种方式引线，在电路板3两面施加正负电信号就可以给激励每个阵元工作。

可选地，可将模式转换压电片2放置于底部具有平面的壳体1内压平，电路板3于模式转换压电片2装入壳体1前或装入壳体1后插于插槽201，电路板3两侧的电极引线与插槽201两侧的电极导电层连接，并在电路板3两面连接正负极信号线。当然，可以使用额外的线路板(汇流板)连接于各电路板3，线缆4可以连接于柔性电路板3。本实施例中，将安装完电路板3的M*N阵列的模式转换压电片2(压电陶瓷)安装在外壳11中，将匹配层5的底面与外壳11的底面安装在同一平面压平，一方面可以保证换能器的平面度，从而保证制备的一批探头的一致性；另一方面可以保护探头阵元不易变形和内部不易损坏。将以上进行外壳11封装及电路引线，制备为最终的模式转换二维面阵超声换能器。

本发明实施例所提供的一种模式转换超声换能器及其制造方法，利用压电陶瓷具有很多振动模态的特性，选择需要的声辐射方向的振动模态，在需要的声辐射方向设计选择纯净的振动模态，声辐射方向A为模式转换压电片2的厚度方向，电极施加方向B与声辐射方向A垂直，每个阵元的电极引出采用柔性电路板3，解决焊接不可靠问题并保证每个阵元阻抗的一致性。利用模式转换的方式，压电复合材料可以制备为陶瓷柱间隔小于一定值，保证不出现栅瓣，就可以获得好的聚焦性能。而且，通过制备模式转换电极面(正极导电层211和负极导电层212)、卡槽和双面电路板3引线，可对二维面阵进行全接线，解决了传统的超声焊接不可靠、耗时长、成本高的问题，更适合多阵元二维面阵超声换能器的批量生产。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种模式转换超声换能器，其特征在于，包括壳体、模式转换压电片、电路板，所述模式转换压电片设置于所述壳体内，所述电路板连接于所述模式转换压电片；所述模式转换压电片包括多个压电块，所述模式转换压电片的一面设置有用于供所述电路板插入的插槽，所述插槽的两侧为所述压电块的电极，所述电路板插于所述插槽且与所述电极相接。

2.如权利要求1所述的一种模式转换超声换能器，其特征在于，所述电路板的一面设置有正极引线，所述电路板的另一面设置有负极引线，所述电路板连接有线缆或汇流板。

3.如权利要求1所述的一种模式转换超声换能器，其特征在于，所述插槽设置有至少两条，各所述插槽平行设置且将各所述压电块分隔为至少三行，所述插槽的两侧分别为正极导电层和负极导电层，所述正极导电层与一行所述压电块的一侧面相接，所述负极导电层与相邻的另一行所述压电块一侧面相接，且同一行所述压电块，其两相对的侧面分别为正极导电层和负极导电层。

4.如权利要求1所述的一种模式转换超声换能器，其特征在于，所述模式转换压电片的底面设置有匹配层。

5.如权利要求1所述的一种模式转换超声换能器，其特征在于，所述压电块设置有多行多列，相邻列之间的所述压电块由绝缘物连接。

6.如权利要求1所述的一种模式转换超声换能器，其特征在于，所述电路板为柔性电路板，且/或,所述壳体采用磁兼容材料制成。

7.如权利要求2所述的一种模式转换超声换能器，其特征在于，所述壳体包括外壳和连接于所述外壳的顶盖，所述模式转换压电片设置于所述外壳的平整底面内，所述电路板垂直所述模式转换压电片插于所述插槽内，所述线缆穿设于所述顶盖且连接于所述电路板两侧的正极引线和负极引线。

8.一种模式转换超声换能器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备壳体、电路板和具有插槽且所述插槽两侧为压电块电极的模式转换压电片；

将所述模式转换压电片置于所述壳体内；

将电路板插于所述模式转换压电片的插槽内，使电路板与所述压电块的电极连接。

9.如权利要求8所述的一种模式转换超声换能器的制造方法，其特征在于，制备所述模式转换压电片包括以下步骤：

制备压电片，在所述压电片的正面沿第一方向开设第一隔槽，于所述第一隔槽内填充导电物；于所述压电片的正面沿第二方向开设与所述第一隔槽相交的第二隔槽，于所述第二隔槽内填充绝缘物；

将所述压电片背面的设定厚度的材料去除，在所述压电片背面设置匹配层；

沿所述第一隔槽在所述导电物上设置插槽，使所述导电物被所述插槽隔为贴附于相邻行的压电块侧面的正极导电层和负极导电层。

10.如权利要求9所述的一种模式转换超声换能器的制造方法，其特征在于，所述电路板的两面分别设置有多根正极引线和多根负极引线，将所述电路板插于所述插槽时，各所述正极引线分别通过导电材料与同一行中各所述压电块一侧的所述正极导电层相接，各所述负极引线分别通过导电材料与另一行中各所述压电块一侧的所述负极导电层相接；将线缆连接于所述电路板。

11.如权利要求10所述的一种模式转换超声换能器的制造方法，其特征在于，所述电路板为柔性电路板。

12.如权利要求10所述的一种模式转换超声换能器的制造方法，其特征在于，将模式转换压电片放置于底部具有平面的壳体内压平，电路板于所述模式转换压电片装入壳体前或装入壳体后插于插槽。

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