ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно, к высокочастотным широкополосным пьезоэлектрическим преобразователям мегагерцового диапазона и может быть использовано при создании средств неразрушающегося контроля и ультразвуковой медицинской диагностики внутренних органов человека.

Известны конструкции пьезоэлектрических преобразователей, содержащие чувствительный пьезоактивный элемент, механический демпфер, состоящий с ним в акустическом контакте, согласующий слой которого обеспечивает согласование чувствительного пьезоактивного элемента с протектором или фокусирующей линзой. Чувствительный пьезоактивный элемент выполнен либо в виде сплошной пластины, содержащей электроды, либо эта пластина с определенным шагом разрезана на параллельные пьезоэлементы перпендикулярно плоскости пластин. (См. Отчет по научно-исследовательской работе "Исследовать и разработать принцип построения сканирующих ультразвуковых преобразователей и микропроцессорных устройств управления и обработки". Шифр "Сектор Ц" (заключительный). Госреестр N 01870057755. Каунас. 1988 с.80-90). Для обеспечения наиболее эффективной работы пьезоэлектрического преобразователя оптимальные соотношения размеров пьезоэлементов выбирают таким образом, чтобы отношение межэлектродного расстояния каждого пьезоэлемента к его ширине было не менее двух, а расстояние между ними от 20 до 30 мкм. Полости, образованные в результате резки пластины, заполняют клеевым компаундом, например, клеем ВК-9. Требование к заливочным компаундам противоречиво. С одной стороны компаунд должен придавать устойчивую прочную форму чувствительному элементу, состоящему из множества пьезоэлементов, а с другой стороны заливка не должна осуществлять торможение при возбуждении электрическим полем электроупругих колебаний в пьезоэлементах. В этом случае за счет получения прочной и работоспособной конструкции идут на некоторое ухудшение акустических свойств пьезоэлементов и, как следствие, пьезоэлектрического преобразователя в целом: коэффициент электромеханической связи толщинных колебаний пьезоэлемента K_t, равный в данной случае 0,58 - 0,6, составляет не более 80 - 85% от коэффициента электромеханической связи толщинных колебаний по длине K₃₃ пьезоактивного материала, из которого они изготовлены. Известно, что чувствительность или коэффициент двойного преобразования пьезокерамического преобразователя прямо пропорционален квадрату коэффициента связи (см., например, Б. С.Арнов. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. -Л. : Энергоатомиздат, Ленинградское отд., 1990, с.226). По вышеназванной причине коэффициент двойного преобразования устройства-прототипа, его акустическая чувствительность в режимах приема и излечения также низка, а конкретно снижена на 40%.

Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя, являющийся наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению (прототипом), состоит в том, что вначале изготавливают цельную пластину из пьезоматериала и производят ее первичный контроль. (См. Отчет по научно-исследовательской работе "Исследовать и разработать принципы построения сканирующих ультразвуковых преобразователей и микропроцессорных устройств управления и обработки". Шифр "Сектор Ц" (заключительный). Госреестр N 01870057755. -Каунас. 1988, с.80-90). Первичный контроль включает ее внешний осмотр, а также контроль механических и электрических параметров. Он предназначен для исключения попадания в сборку механически поврежденных пластин и отбора пластин с одинаковыми геометрическими параметрами, главным из которых является толщина пластины. Кроме того, производят отбор пластин с одинаковыми электрофизическими параметрами, в первую очередь, с одинаковым коэффициентом электромеханической связи K₃₁, одинаковой частотой резонанса f_r и одинаковой статической емкостью пьезопластин C_o. После этого производят подготовку пьезопластин к первичной заливке демпфером, распайку проводников с заданным шагом, вторичную заливку эпоксидным компаундом, резку пластин на параллельные пьезоэлементы с определенным шагом, заливку пазов, образующихся в результате резки. Затем наносят на поверхность пьезоэлементов согласующий слой, а потом уже формируют протектор или фокусирующую линзу. Но описанный способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя сложен, а операции его трудоемки и ненадежны. Это объясняется тремя следующими основными причинами. Первая причина состоит в следующем. Сложная методология оценки качества длинномерных пьезопластин по интегральным характеристикам K₃₁, f_r и C_o не может гарантировать получения требуемых характеристик, а также идентичность пьезоэлементов после из резки. Это обусловлено наличием скрытых от визуального осмотра дефектов, которые могут привести к выходу из строя хотя бы одного пьезоэлемента, а следовательно, и всего пьезоэлектрического преобразователя. Вторая основная причина сложности изготовления пьезопреобразователя по способу-прототипу, а также трудоемкости и ненадежности его операций, состоит в том, что при использовании его распайку проводников проводят после заливки демпфером, как до резки, так и после резки пьезоэлементов. Но в любом случае индивидуальную распайку проводников осуществляют медной одножильной проволокой диаметром 50 - 100 мкм и припаивают ее к разъему, потом приклеивают к наружной поверхности демпфера, а затем уже припаивают к электроду, покрывающему поверхности пьезоэлементов. Ширина отдельных пьезоэлементов преобразователя, работающего в мегагерцовом диапазоне, достаточно мала и составляет, например, для f_r = 3,5 МГц - b = 200 мкм, для f_r = 5 МГЦ - b = 150 мкм, в для f_r = 7,5 МГц - b = 100 мкм. Поэтому часто происходит отслаивание проводника вместе с электродом, а это ведет к выходу из строя всего пьезопреобразователя. И третья основная причина, объясняющая сложность вышеописанного способа - прототипа, а также большую трудоемкость и ненадежность его операций, состоит в следующем. После резки пьезоэлементов заполнения пазов между ними клеем, или другим компаундом, часто сопровождаются механическим повреждением из-за малой их прочности, обусловленной малой площадью поперечного сечения и хрупкостью пьезоматериала. В целом же способ-прототип требует точного и дорогостоящего лазерного прецезионного оборудования с программным управлением, агрегатов вакуумной заливки пазов, установок точечной сварки.

Сущность заявляемого пьезоэлектрического преобразователя состоит в том, что в пьезоэлектрическом преобразователе, содержащем пьезокерамические элементы с электродами на их противоположных поверхностях, имеющие соотношение высоты к ширине не менее двух и расположенные параллельно друг другу на жестко связанном с нижним электродом демпфере, а также согласующий слой, протектор или фокусирующую линзу, пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой электроизоляционной пленки толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. Пьезокерамические элементы могут быть соединены связующим веществом через слой электроизоляционной бумаги и, в частности конденсаторной бумаги толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. Вместе с тем, пьезокерамические элементы могут быть соединены клеем через слой электроизоляционной пленки, в частности через слой электроизоляционной бумаги и конкретно конденсаторной бумаги общей толщиной, т.е. клей плюс бумага, не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента.

Задачей, стоящей перед разработчиками пьезоэлектрического преобразователя, являлось создание преобразователя с наиболее высокой акустической чувствительностью по сравнению с существующими. Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является увеличение коэффициента электромеханической связи толщинных колебаний и, как следствие, увеличение коэффициента двойного преобразования.

Сущность заявляемого способа изготовления пьезоэлектрического преобразователя, как изобретения, состоит в том, что в способе изготовления пьезоэлектрического преобразователя, включающем формирование пакета пьезокерамических элементов и размещение их на демпфере, а также согласующего слоя, протектора или фокусирующей линзы, вначале формируют многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов толщиной не менее, чем в два раза меньше резонансного размера путем их жесткого соединения связующим веществом через слой электроизоляционной пленки, после этого осуществляют из резку перпендикулярно слоям на высоту, соответствующую резонансному размеру, металлизируют и снабжают токосъемниками верхнюю и нижнюю поверхности заготовок, а затем подвергают поляризации и аттестации по статической электрической емкости, тангенсу угла диэлектрических потерь, частотам резонанса и антирезонанса, а также коэффициенту электромеханической связки толщинных колебаний. Многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов формируют путем их жесткого соединения связующим веществом также через слой электроизоляционной бумаги и, в частности конденсаторной бумаги, толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамических элементов. Вместе с тем, многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов формируют путем их склеивания через слой электроизоляционной пленки, в частности через слой электроизоляционной бумаги и конкретно через слой конденсаторной бумаги, толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента.

Заявляемое изобретение поясняется графически, где на фиг. 1 показан пьезоэлектрический преобразователь; на фиг. 2 - совмещенная осциллограмма амплитудно-частотной характеристики заявляемого пьезоэлектрического преобразователя и пьезоэлектрического преобразователя, являющегося прототипом.

Доказательства возможности осуществления заявляемого пьезоэлектрического преобразователя с реализацией указанного назначения приводятся ниже.

Пьезоэлектрический преобразователь в виде фазированной антенной решетки (ФАР) состоит из чувствительных пьезокерамических элементов 1. Группа пьезокерамических элементов, в данном случае пять штук, составляет резонатор 2 ФАР, как бы рабочую составляющую. От каждого резонатора 2 отходят электроды 3 и токосъемники 4. Между каждым пьезокерамическим электродом расположен слой конденсаторной бумаги 5, по каждую сторону от которого нанесена клеевая прослойка 6. Вся конструкция смонтирована на демпфере 7, состоящем в акустическом контакте с пьезокерамическим элементов 1. Согласующий слой 8 предназначен для согласования чувствительного пьезокерамического элемента 1 с протектором или фокусирующей линзой 9. Описанный выше пьезоэлектрический преобразователь предназначен для использования в различной аппаратуре мегагерцового диапазона неразрушающего контроля или ультразвуковой медицинской техники для обследования внутренних органов человека. При работе пьезокерамического преобразователя слой конденсаторной бумаги 5, расположенный между чувствительными пьезокерамическими элементами 1, не закрепощает их колебательного процесса при воздействии возбуждающего электрического поля или акустической волны на резонансной частоте. Вместе с этим, клеевые прослойки 6 с двух сторон слоя конденсаторной бумаги 5 повышают механическую прочность резонаторов 2, состоящих из пьезокерамических элементов 1. Кроме того, повышается идентичность характеристик резонаторов. В целом конструкция позволила увеличить коэффициент электромеханической связи толщинных колебаний K_t, который, как показали эксперименты, составил 0,64 - 0,66, тогда как к прототипа он составляет всего 0,58 - 0,60. Увеличение коэффициента электромеханической связи толщинных колебаний повлекло увеличение коэффициента двойного преобразования, а следовательно, и акустической чувствительности пьезоэлектрического преобразователя на 20 - 30%.

Если для нашего конкретного случая проанализировать амплитудно-частотные характеристики одного элемента заявленного преобразователя и преобразователя-прототипа, представленные на фиг. 2, а затем, определяя по общепринятой методике K_t (ОСТ 11.044-87), получаем K_t (прототипа) =0,58, а K_t (заявляемого) = 0,64. Следовательно, эффективность заявляемого преобразователя по сравнению с пьезоэлектрическим преобразователем, являющимся прототипом, выше на 21%.

Доказательства возможности осуществления способа изготовления пьезокерамического преобразователя приводятся ниже. В начале изготавливают блоки прямоугольных призм из неполяризованной пьезокерамики. Из этих блоков резкой изготавливают пластины толщиной не менее, чем в два раза меньше резонансного размера. Под резонансным размером следует понимать размер А, при котором для конкретного пьезоматериала рабочей среды выполняются условия резонанса (A где λ - длина волны в рабочей среде - пьезокерамике; c - скорость звука в пьезокерамике; f - рабочая частота преобразователя). Затем производят склеивание пластин по боковым поверхностям в монолитные пакеты. Склеивание производят через слой конденсаторной бумаги толщиной не более одной пятой толщины пьезокерамического элемента. Количество склеиваемых пластин в пакеты зависит от конструкции пьезоэлектрического преобразователя. После этого многослойные пакеты режут перпендикулярно слоям, получая при этом заготовки резонаторов, имеющих высоту, равную резонансному размеру. Потом рабочие поверхности заготовок металлизируют и подпаивают к ним токосъемники. Уже с подпаянными токосъемниками заготовки поляризуют, после чего производят контроль их электрофизических параметров, а именно статической электрической емкости C_o, частот резонанса f_r и антирезонанса f_a, тангенса угла диэлектрических потерь tgδ и коэффициента электромеханической связи толщинных колебаний. Резонаторы, соответствующие предъявляемым к ним требованиям с заданным шагом, размещают на поверхности демпфера. После этой операции наносят на верхние поверхности резонаторов согласующий слой, к которому крепят либо протектор, либо фокусирующую линзу.

Примером изготовления конкретного пьезоэлектрического преобразователя по заявляемому способу может служить изготовление 96 элементной ФАР на рабочую, т.е. резонансную частоту 7,5 МГц. Первоначально из пьезокерамического материала ЦТС-19 изготавливали прямоугольные призмы размером 20х10х10 мм. Затем их резали на пластины толщиной 100 мкм и сечением 10х10 мм, т.е. получали пьезокерамические пластины размером 10х10х0,1 мм. Боковые поверхности этих пластин и конденсаторную бумагу обезжиривали и наносили на них тонкий слой клея анатерм. Композиции, состоящие из пяти пьезокерамических пластин и четырех прокладок конденсаторной бумаги толщиной 18 мкм, собирали в пакет под давления 50 кГс/см² склеивали, получая при этом пакеты размером 10х10х0,58 мм. Пакеты относительно размера 10 мм резали на толщину 220 мкм, что соответствует резонансной частоте 7,5 МГц. На нижние и верхние рабочие поверхности 10х0,22х0,58 мм наносили серебряные электроды с помощью вакуумного напыления и подпаивали к ним токосъемники из медной проволоки диаметром 100 мкм. Далее заготовки резонаторов поляризовали с помощью импульсов напряжения 4•KV/мм при температуре 25^oC. После этого замеряли C_o, tgδ , f_r, f_a и K_t и комплектовали резонаторы с разбросом по указанным параметрам не более 3%. Девяносто шесть изготовленных таким образом резонаторов приклеивали анатермом с шагом 20 мкм на поверхность демпфера из пьезокерамики ЦТС-19. Это объясняется тем, что керамический демпфер обладает переменным акустически импедансом вдоль акустической волны. Верхние электроды резонаторов электрически закорачивали и подсоединяли к экрану. Токосъемники нижних электродов резонаторов распаивали на шины разъема. На верхнюю поверхность резонаторов наносили четвертьволновый согласующий слой, к которому крепили фокусирующую линзу из силиконовой резины.

Изобретение относится к ультразвуковой измерительной технике, а именно к высокочастотным широкополосным пьезоэлектрическим преобразователям мегагерцового диапазона. Увеличение коэффициента электромеханической связи толщинных колебаний и увеличение коэффициента двойного преобразования достигается за счет того, что пьезоэлектрический преобразователь содержит пьезокерамические элементы с электродами на их противоположных поверхностях, имеющие соотношение высоты к ширине не менее двух и расположенные параллельно друг другу на жестко связанном с нижним электродом демпфере, а также согласующий слой, протектор или фокусирующую линзу. Пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой электроизоляционной пленки. В частном случае пьезокерамические элементы соединены клеем через слой конденсаторной бумаги толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя состоит в том, что вначале формируют многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов шириной в два раза меньшей резонансного размера путем их жесткого соединения связующим веществом через слой электроизоляционной пленки. После этого осуществляют их резку перпендикулярно слоям на высоту, соответствующую резонансному размеру, металлизируют и снабжают токосъемниками верхние и нижние поверхности заготовок, а затем подвергают поляризации и аттестации. 2 с. и 10 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Пьезоэлектрический преобразователь, содержащий пьезокерамические элементы с электродами на их противоположных поверхностях, имеющие соотношение высоты к ширине не менее двух и расположенные параллельно друг другу на жестко связанном с нижним электродом демпфере, а также согласующий слой, протектор или фокусирующую линзу, отличающийся тем, что пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой электроизоляционной пленки толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. 2. Пьезоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой электроизоляционной бумаги толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. 3. Пьезоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пьезокерамические элементы соединены между собой связующим веществом через слой конденсаторной бумаги толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. 4. Пьезоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пьезокерамические элементы соединены клеем через слой электроизоляционной пленки. 5. Пьезоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пьезокерамические элементы соединены клеем через слой электроизоляционной бумаги. 6. Пьезоэлектрический преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что пьезокерамические элементы соединены клеем через слой конденсаторной бумаги. 7. Способ изготовления пьезоэлектрического преобразователя, включающий формирование пакета пьезокерамических элементов и размещение их на демпфере, а также согласующего слоя, протектора или фокусирующей линзы, отличающийся тем, что в начале формируют многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов толщиной не менее чем в два раза меньше резонансного размера путем их жесткого соединения связующим веществом через слой электроизоляционной пленки, после этого осуществляют их резку перпендикулярно слоям на высоту, соответствующую резонансному размеру, металлизируют и снабжают токосъемниками верхнюю и нижнюю поверхности заготовок, а затем подвергают поляризации и аттестации по статической электрической емкости, тангенсу угла диэлектрических потерь, частотам резонанса и антирезонанса, а также коэффициенту электромеханической связи толщинных колебаний. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов формируют путем их жесткого соединения связующим веществом через слой электроизоляционной бумаги толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. 9. Способ по п. 7, отличающийся тем, что многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов формируют путем их жесткого соединения связующим веществом через слой конденсаторной бумаги толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента. 10. Способ по п. 7, отличающийся тем что многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов формируют путем их склеивания через слой электроизоляционной пленки. 11. Способ по п. 7, отличающийся тем что многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов формируют путем их склеивания через слой электроизоляционной бумаги. 12. Способ по п. 7, отличающийся тем что многослойные пакеты заготовок неполяризованных пьезокерамических элементов формируют путем их склеивания через слой конденсаторной бумаги толщиной не более одной пятой ширины пьезокерамического элемента.