换能器组件的制作方法

本申请涉及检测技术领域，尤其涉及一种换能器组件。

背景技术：

在超声无损检测技术方面，常用的检测超声探头频率较低，很多在10MHz以内，其中单探头占多数，部分探头为相控阵探头。超声相控阵检测技术是近年发展起来的一种超声无损检测技术，这种技术能够提高检测速度和检测信号的信噪比，具有快速、可靠、准确等特点。常用超声相控阵探头的设计基于惠更斯原理，换能器存在着在方位方向上呈一维排列的阵元，每个阵元间相互独立，按照一定的电子延时对每个阵元进行激励，从而形成一个新的超声波阵面。通过施加不同的电子延时，会使得超声波束在方位方向上发生偏转，以满足各种检测需要。相控阵相比于常规的单阵元探头来说具有一定的优势，但是在近表面的分辨力仍然比较差。

也就是说，现有技术的超声探头的近表面的分辨率较差。

技术实现要素：

本申请提供一种换能器组件，能够提高超声探头的近表面的分辨率。

为解决上述技术问题，本申请采用的第一个技术方案是：提供一种换能器组件，所述换能器组件包括沿轴向方向依次叠置的背衬层、换能器层以及匹配层，所述换能器组件设置有第一分隔间隙，所述第一分隔间隙沿所述轴向方向贯穿所述匹配层和所述换能器层，并延伸至所述背衬层中，以将所述换能器组件至少沿仰角方向分割成n列子体，其中，所述轴向方向与所述仰角方向垂直，n为不小于2的整数。

其中，n为不小于3的奇数。

其中，沿所述仰角方向的n列子体关于位于n列子体中间的子体的中轴线对称分布，且彼此对称的两列子体在沿所述仰角方向的宽度之和与位于n列子体中间的子体的宽度相等，彼此对称的两列子体电连接，以同时接收外部激励。

其中，所述匹配层包括沿所述轴向方向分布的多个子匹配层，所述换能器层的声阻抗大于所述多个子匹配层中任一个的声阻抗，所述多个子匹配层的声阻抗在远离所述换能器层的方向上逐渐减小。

其中，沿所述仰角方向的n列子体中，相邻两列子体之间的所述第一分隔间隙沿所述仰角方向的宽度相等，且宽度为10-100μm。

其中，所述第一分隔间隙内进一步由填充材料进行填充。

其中，所述填充材料沿所述轴向方向具有均匀或者渐变的声阻抗。

其中，所述填充材料为包含多种材料的复合型材料，所述填充材料中至少有两种材料的声阻抗不同。

其中，所述背衬层沿所述轴向方向具有均匀或渐变的声阻抗。

其中，所述换能器层包括至少一个配置为以中心操作频率发射超声波能量的换能器元件，所述换能器元件为铌酸钾钠/钛酸铋钠复合压电薄膜、钛酸钡钠/铌酸锂复合压电薄膜、压电微机械薄膜或者电容微机械薄膜中的任一种。

其中，所述换能器组件还设置有第二分隔间隙，所述第二分隔间隙沿所述轴向方向贯穿所述匹配层和所述换能器层，并延伸至背衬层中，以将所述换能器组件至少沿方位方向分割成m列子体，其中，所述方位方向、所述轴向方向以及所述仰角方向相互垂直，m为不小于2的整数。

其中，m为大于n的偶数，沿所述方位方向的m列子体在沿所述方位方向上的宽度相同。

其中，所述第二分隔间隙中进一步由填充材料进行填充。

本申请的有益效果是：区别于现有技术，本申请提供一种换能器组件，该换能器组件包括沿轴向方向依次叠置的背衬层、换能器层以及匹配层，换能器组件设置有第一分隔间隙，第一分隔间隙沿轴向方向贯穿匹配层和换能器层，并延伸至背衬层中，以将换能器组件至少沿仰角方向分割成n列子体，其中，轴向方向与仰角方向垂直，n为不小于2的整数。本申请换能器组件沿仰角方向被分割成了n列子体，换能器组件在仰角方向上具有呈一维排列的多列子体，且多列子体间相互独立，根据惠更斯原理，按照一定的电子延时对每列子体进行激励，从而形成一个新的超声波阵面，进而减小了超声波束的切片厚度，提高了超声探头的近表面的分辨率。

附图说明

图1是本申请换能器组件一实施方式的整体结构示意图；

图2是图1换能器组件的垂直于方位方向的剖面结构示意图；

图3是图1换能器组件的垂直于仰角方向的剖面结构示意图；

图4是图3中A区域的局部放大图；

图5是本申请换能器组件的制备方法一实施方式的流程示意图；

图6是图5中步骤501和步骤502中对应的换能器组件的结构示意图；

图7是图5中步骤503中对应的换能器组件的结构示意图；

图8是本申请换能器组件的制备方法另一实施方式的流程示意图；

图9是图8中步骤801-步骤803中对应的换能器组件的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本申请保护的范围。

应当理解的是，下列细节的其中一些被提供用来以一种足以使相关领域技术人员能够制造和使用公开的实施例的方式描述下列实施例。然而，下面描述的细节的其中一些对于实施本技术的某些实施例可能是不必要的。此外，本申请可以包括权利要求书范围内但未参考附图详细描述的其他实施例。

在下列说明书和附图中描述了一些细节，以提供对本申请的各实施例的透彻理解。附图中示出的许多细节、尺寸、角度和其他特征仅仅是对本公开的特定实施例的说明。因此，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，其他实施例可以具有其他的细节、尺寸、角度和特征。此外，本领域普通技术人员可以理解，可以在没有以下描述的细节的其中一些的情况下实施本申请的其他实施例。

请参见图1，图1是本申请换能器组件一实施方式的整体结构示意图。

如图1所示，本实施方式中，换能器组件10包括沿轴向方向F1依次叠置的背衬层11、换能器层12以及匹配层13。换能器组件10设置有第一分隔间隙14，第一分隔间隙14沿轴向方向F1贯穿匹配层13和换能器层12，并延伸至背衬层11中，以将换能器组件10至少沿仰角方向F2分割成n列子体，其中，轴向方向F1与仰角方向F2垂直，n为不小于2的整数。本实施方式中，换能器组件10沿仰角方向F2被分割成了n列子体，换能器组件10在仰角方向F2上具有呈一维排列的多列子体，且多列子体间相互独立，根据惠更斯原理，按照一定的电子延时对每列子体进行激励，从而形成一个新的超声波阵面，进而减小了超声波束的切片厚度，提高了超声探头的近表面的分辨率。

本实施方式中，换能器层12包括至少一个配置为以中心操作频率发射超声波能量的换能器元件(图未示)，换能器元件为铌酸钾钠/钛酸铋钠复合压电薄膜、钛酸钡钠/铌酸锂复合压电薄膜、压电微机械薄膜或者电容微机械薄膜中的任一种。其中，中心操作频率为百兆赫兹或以上。换能器元件为铌酸钾钠/钛酸铋钠复合压电薄膜或钛酸钡钠/铌酸锂复合压电薄膜时，可以通过溶胶-凝胶法制成。优选地，换能器层12在振动时产生100-500MHZ的频率的超声波，在其他实施方式中，换能器层12在振动时产生其他频率的超声波，本申请对此不作限定。一个或多个换能器元件可以用来进行电声换能，通过设置多层换能器元件可以提高电声换能的效率；另外，采用薄膜式的换能器元件可以大大减小换能器层12的厚度，从而使得换能器层12在振动时能产生频率较高的超声波，提高了超声探头的近表面的分辨率。在其他实施方式中，换能器层12中换能器元件的材料可以根据具体情况选用，本申请对此不作限定。

本实施方式中，匹配层13包括沿轴向方向F1分布的第一子匹配层131和第二子匹配层132，换能器层12的声阻抗大于第一子匹配层131和第二子匹配层132中任一个的声阻抗，第一子匹配层131的声阻抗大于第二子匹配层132的声阻抗。在其他实施方式中，子匹配层的个数根据具体情况设定，可以为2个、3个或者更多个，只需保证多个子匹配层的声阻抗在远离换能器层12的方向上逐渐减小，且多个子匹配层任一个的声阻抗均小于换能器层12的声阻抗即可。通过设置多个子匹配层，且多个子匹配层的声阻抗渐变，能够完全实现工作介质与换能器层12之间的声阻抗匹配，有效减少声波在工作介质表面的反射，增大声波的有效透射量。在其他实施方式中，多个子匹配层的声阻抗可以通过迭代算法进行精确计算，以取得最优值，本申请对此不作限定。

本实施方式中，可以通过真空镀膜的工艺直接在换能器层12表面镀上第一子匹配层131，然后在第一子匹配层131表面镀上第二子匹配层132。在其他实施方式中，也可以采用其他工艺进行镀膜，本申请对此不作限定。

本实施方式中，通过使用环氧树脂将单独制作好的匹配层13粘到换能器层12表面。匹配层13和换能器层12可以同时制备，可以提高制备效率。在其他实施方式中，也可以采用其他类型的可固化的粘合剂将匹配层13粘到换能器层12表面，本申请对此不作限定。

本实施方式中，背衬层11为包含多种材料的复合型材料，填充材料中至少有两种材料的声阻抗不同。背衬层11中至少两种材料的声阻抗不同，可以较好的起到吸声减震的作用。复合材料包括悬浮在环氧树脂或者其他可流动、可固化液态物质中的微球；该微球可以包括围绕或封装气体(例如空气或烃气体)的玻璃或塑料微球体或者是固体微球体；该微球体也可以是实心球体，其材质包括但不限于橡胶、二氧化硅、氧化锆、氧化铝、金属等物质；该微球或微球体可以以不同的比例与环氧树脂或聚合物混合，以获得具有不同稠度和密度的复合材料。例如，复合材料与微球和环氧树脂或聚合物混合。在其他实施方式中，背衬层11可以为单一材料，该单一材料包括但不限于金属、环氧树脂、氧化锆、氧化铝等固体物质。背衬层11还可以为气体，可以只含有一种气体，也可以是混合型气体。背衬层11为气体时，其声阻抗较小，声能量在换能器层12和背衬层11的交界处发生较大程度的反射，因为换能器层12是朝两个方向发射能量的，声能量沿相反路径返回，能量会有叠加，提高了发射功率。

本实施方式中，背衬层11沿轴向方向F1具有均匀或渐变的声阻抗。背衬层11具有渐变的声阻抗，能够改善换能器组件10的带宽和灵敏度效果。

本实施方式中，通过灌注的方式让可流动、可固化背衬层11与换能器层12结合。在其他实施方式中，可以预先制作好背衬层11，再通过粘合剂将背衬层11粘合到换能器层12表面。背衬层11和换能器层12可以同时制备，可以提高制备效率。

在一个具体的实施方式中，n为不小于3的奇数。沿仰角方向F2的n列子体关于位于n列子体中间的子体的中轴线对称分布，且彼此对称的两列子体在沿仰角方向F2的宽度之和与位于n列子体中间的子体的宽度相等，彼此对称的两列子体电连接，以同时接收外部激励。因为仰角方向F2每一组对称的子体是被一起电连接的，也就是说激励时是被同时激励的。仰角方向F2上的波束聚焦于换能器组件10在仰角方向F2的对称面上，通过改变延时可以调整聚焦的焦距，在后期透镜进一步聚焦之前多一次在仰角方向F2上的聚焦，能够减小切片厚度。

为了描述方便，本实施方式以n为5进行具体说明。具体的，可以参阅图2，图2是图1换能器组件的垂直于方位方向F3的剖面结构示意图。第一分隔间隙14沿轴向方向F1贯穿匹配层13和换能器层12，并延伸至背衬层11中，以将换能器组件10沿仰角方向F2分割成5列子体，分别为依次沿仰角方向F2排列第一列子体101、第二列子体102、第三列子体103、第四列子体104以及第五列子体105，其中，第三列子体103为5列子体的中间的子体。第三列子体103关于其中轴线L自对称，第一列子体101与第五列子体105关于第三列子体103的中轴线L对称，第二列子体102与第四列子体104关于第三列子体103的中轴线L对称。第一列子体101与第五列子体105的宽度之和、第二列子体102与第四列子体104的宽度之和、以及第三列子体103的宽度之和相等。第一列子体101与第五列子体105之间电连接，第二列子体102与第四列子体104之间电连接，以同时接受激励。当换能器层12接收激励时，彼此对称的两列子体与中间子体发出超声波的面积相同，保证了彼此对称的两列子体与中间子体发出的超声波能量相同，同时也易于换能器层12的后期电阻抗匹配的设计。

本实施方式中，沿仰角方向F2的n列子体中，相邻两列子体之间的第一分隔间隙14沿仰角方向F2的宽度相等，且宽度为10-100μm。设置相同的间隙，可以保证产品质量，提高产品精度。在其他实施方式中，第一分隔间隙14的宽度之间的公差保持在预设范围内，在满足产品基本的情况下，可以降低工艺难度，提高生产效率。

本实施方式中，第一分隔间隙14内进一步由填充材料进行填充。在一个具体的实施方式中，第一分隔间隙14位于匹配层13和换能器层12的部分的填充密实度大于第一分隔间隙14位于背衬层11的部分。由于背衬层11主要是吸声减震，降低其间隙的填充密实度，在满足其吸声减震的同时可以减小工艺难度，降低制作成本。

进一步的，填充材料沿轴向方向F1具有均匀或者渐变的声阻抗。填充材料可以为单一材料或复合材料。复合材料包括悬浮在环氧树脂或者其他可流动、可固化液态物质中的微球；该微球可以包括围绕或封装气体(例如空气或烃气体)的玻璃或塑料微球体或者是固体微球体；该微球体也可以是实心球体，其材质包括但不限于橡胶、二氧化硅、氧化锆、氧化铝、金属等物质；该微球或微球体可以以不同的比例与环氧树脂或聚合物混合，以获得具有不同稠度和密度的复合材料。例如，复合材料与微球和环氧树脂或聚合物混合。在其他实施方式中，填充材料可以为单一材料。该单一材料包括但不限于金属、环氧树脂、氧化锆、氧化铝等固体物质。填充材料还可以为气体，可以只含有一种气体，也可以是混合型气体。填充材料为气体时可以较好的起到进一步减弱相邻子体间的串扰的作用。

进一步参阅图3和图4，图3是图1换能器组件的垂直于仰角方向的剖面结构示意图；图4是图3中A区域的局部放大图。

本实施方式中，换能器组件10还设置有第二分隔间隙15，第二分隔间隙15沿轴向方向F1贯穿匹配层13和换能器层12，并延伸至背衬层11中，以将换能器组件10至少沿方位方向F3分割成m列子体，其中，方位方向F3、轴向方向F1以及仰角方向F2相互垂直，m为不小于2的整数。换能器组件10沿方位方向F3被分割成了n列子体，换能器组件10在方位方向F3上具有呈一维排列的多列子体，且多列子体间相互独立，根据惠更斯原理，按照一定的电子延时对每列子体进行激励，从而形成一个新的超声波阵面，会使得超声波束在方位方向F3上发生偏转、聚焦，提高了超声探头的近表面的分辨率。

在一个具体的实施方式中，m为大于n的偶数，沿方位方向F3的m列子体在沿方位方向F3上的宽度相同。优选地，m可取64、128以及256中的任一种。进一步的，沿方位方向F3的m列子体对称分布。

本实施方式中，沿方位方向F3的m列子体相邻两列子体之间的第二分隔间隙15的宽度沿方位方向F3相同，且宽度为10-100μm。优选的，第二分隔间隙15宽度和第一分隔间隙14的宽度相等。在其他实施方式中，第二分隔间隙15和第一分隔间隙14的宽度也可以不同，本申请对此不作限定。

本实施方式中，第二分隔间隙15中进一步由填充材料进行填充，第一分隔间隙14中的填充材料与第一分隔间隙14中的材料相同，在此不再赘述。在其他实施方式中，第一分隔间隙14中的填充材料也可以不同，本申请对此不作限定。

本实施方式中，第一分隔间隙14和第二分隔间隙15可以使用刀片切割的机械切割工艺形成，也可以通过光刻、化学刻蚀、等离子刻蚀等相关刻蚀工艺形成，本申请对此不作限定。

本实施方式中，换能器组件10沿仰角方向F2被分割成了n列子体，沿方位方向F3被分割成了m列子体，换能器组件10在仰角方向F2和方位方向F3上具有呈二维排列的多个子体，且多个子体间相互独立。根据惠更斯原理，按照一定的电子延时对每个子体进行激励，在方位方向F3上给子体施加不同激励延时的同时，也在仰角方向F2上给子体施加不同的激励延时，从而形成一个新的超声波阵面，仰角方向F2上的波束聚焦于换能器组件在仰角方向F2的对称面上，通过改变延时可以调整聚焦的焦距，在后期透镜进一步聚焦之前多一次在仰角方向上的聚焦，能够减小切片厚度，也能在方位方向F3上发生偏转，进而进一步减小了超声波束的切片厚度；另一方面，通过使用薄膜式换能器层12，使得换能器层12在振动时能产生频率较高的超声波。结合此二者的提升，换能器组件10沿轴向方向F1的分辨力可在5μm以内，能够检测更加细微的工件缺陷，提高了近表面分辨力。

区别于现有技术，本申请提供一种换能器组件，该换能器组件包括沿轴向方向依次叠置的背衬层、换能器层以及匹配层，换能器组件设置有第一分隔间隙，第一分隔间隙沿轴向方向贯穿匹配层和换能器层，并延伸至背衬层中，以将换能器组件至少沿仰角方向分割成n列子体，其中，轴向方向与仰角方向垂直，n为不小于2的整数。本申请换能器组件沿仰角方向被分割成了n列子体，换能器组件在仰角方向上具有呈一维排列的多列子体，且多列子体间相互独立，根据惠更斯原理，按照一定的电子延时对每列子体进行激励，从而形成一个新的超声波阵面，进而减小了超声波束的切片厚度，提高了超声探头的近表面的分辨率。

参阅图5，图5是本申请换能器组件的制备方法一实施方式的流程示意图。

如图5所示，本实施方式中，换能器组件的制备方法包括：

步骤501：准备换能器层。

参阅图6，图6是图5中步骤501和步骤502中对应的换能器组件的结构示意图。准备换能器层22。本实施方式中，换能器层22与图1中的换能器层11相同，请参阅图1和说明书相关描述，在此不再赘述。

步骤502：在换能器层的两侧表面分别制备匹配层和背衬层，其中，背衬层、换能器层以及匹配层沿轴向方向叠置。

继续参阅图6，本实施方式中，匹配层23和背衬层21与图1中的匹配层13和背衬层11相同，请参阅图1和说明书相关描述，相关部分在此不再赘述。

在一个具体的实施方式中，匹配层23包括第一子匹配层231和第二匹配层232。通过真空镀膜的工艺直接在换能器层22表面镀上第一子匹配层231，然后在第一子匹配层231表面镀上第二匹配层232。通过灌注的方式让可流动、可固化背衬层21与换能器层22结合。需要说明的是，在换能器层22上制作背衬层21和匹配层23的先后顺序可以互换，本申请对此不作限定。在其他实施方式中，也可以采用其他工艺制备匹配层23和背衬层21，本申请对此不作限定。

在另一个具体的实施方式中，准备匹配层23和背衬层21，将匹配层23和背衬层21通过粘合剂粘贴在换能器层22的两侧表面上。通过使用环氧树脂将单独制作好的匹配层23粘到换能器层22表面。匹配层23和换能器层22可以同时制备，可以提高制备效率。

步骤503：沿轴向方向切割匹配层、换能器层以及背衬层，以形成第一分隔间隙，其中，第一分隔间隙贯穿匹配层和换能器层，并延伸至背衬层，以将换能器组件至少沿仰角方向分割成n列子体，其中，轴向方向与仰角方向垂直，n为不小于2的整数。

参阅图7，图7是图5中步骤503中对应的换能器组件的结构示意图。沿轴向方向切割匹配层23、换能器层22以及背衬层21，以形成第一分隔间隙24，其中，第一分隔间隙24贯穿匹配层23和换能器层22，并延伸至背衬层21，以将换能器组件20至少沿仰角方向分割成n列子体，其中，轴向方向F1与仰角方向F2垂直，n为不小于2的整数。本实施方式中，第一分隔间隙24可以使用刀片切割的机械切割工艺形成，也可以通过光刻、化学刻蚀、等离子刻蚀等相关刻蚀工艺形成，本申请对此不作限定。第一分隔间隙24与图1中的第一分隔间隙14相同，在此不再赘述。

进一步的，利用填充材料对第一分隔间隙24进行填充。填充材料与图1中第一分隔间隙的材料相同，在此不再赘述。

区别于现有技术，本申请将换能器组件沿仰角方向分割成了n列子体，换能器组件在仰角方向上具有呈一维排列的多列子体，且多列子体间相互独立，根据惠更斯原理，按照一定的电子延时对每列子体进行激励，从而形成一个新的超声波阵面，进而减小了超声波束的切片厚度，提高了超声探头的近表面的分辨率。

参阅图8，图8是本申请换能器组件的制备方法另一实施方式的流程示意图。

本实施方式中，换能器组件的制备方法包括：

步骤801：准备换能器层。

参阅图9，图9是图8中步骤801-步骤803中对应的换能器组件的结构示意图。准备换能器层32。步骤801与步骤501相同，在此不再赘述。

步骤802：在换能器层的两侧表面分别制备匹配层和背衬层，其中，背衬层、换能器层以及匹配层沿轴向方向叠置。

本实施方式中，在换能器层32的两侧表面分别制备匹配层33和背衬层31，其中，背衬层31、换能器层32以及匹配层33沿轴向方向叠置。步骤802与步骤502相同，在此不再赘述。

步骤803：沿轴向方向切割匹配层、换能器层以及背衬层，以形成第一分隔间隙和第二分隔间隙，其中，第一分隔间隙贯穿匹配层和换能器层，并延伸至背衬层，以将换能器组件至少沿仰角方向分割成n列子体，其中，轴向方向与仰角方向垂直，n为不小于2的整数；第二分隔间隙贯穿匹配层和换能器层，并延伸至背衬层，以将换能器组件至少沿方位方向分割成m列子体，其中，方位方向、轴向方向以及仰角方向相互垂直，m为不小于2的整数。

本实施方式中，第一分隔间隙34可以使用刀片切割的机械切割工艺形成，也可以通过光刻、化学刻蚀、等离子刻蚀等相关刻蚀工艺形成，本申请对此不作限定。第一分隔间隙34与图1中的第一分隔间隙14相同，在此不再赘述。

在沿轴向方向F1切割匹配层33、换能器层32以及背衬层31之后，还形成第二分隔间隙35，其中，第二分隔间隙35贯穿匹配层33和换能器层32，并延伸至背衬层31，以将换能器组件30至少沿方位方向F3分割成m列子体，其中，方位方向F3、轴向方向F1以及仰角方向F2相互垂直，m为不小于2的整数。第二分隔间隙35与图1中分隔间隙相同，在此不再赘述。

需要说明的是，第一分隔间隙34和第二分隔间隙35的形成顺序可以互换，或者同时形成。

进一步的，在形成第二分隔间隙35之后，利用填充材料对第一分隔间隙34和第二分隔间隙35进行填充。填充材料与图1中第一分隔间隙的材料相同，在此不再赘述。

区别于现有技术，本申请将换能器组件沿仰角方向分割成了n列子体，换能器组件在仰角方向上具有呈一维排列的多列子体，且多列子体间相互独立，根据惠更斯原理，按照一定的电子延时对每列子体进行激励，从而形成一个新的超声波阵面，进而减小了超声波束的切片厚度，提高了超声探头的近表面的分辨率。

以上仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。