一种压电器件及其制备方法

1.本技术属于水声测量及半导体器件技术领域，具体地，提供一种压电器件及其制备方法。


背景技术：

2.水声换能器通过压电效应将水声信号与电信号进行互相转换，是水声信号处理领域的关键设备。提升水声换能器性能的关键在于改进其使用的压电器件(也称为压电振子、敏感元件)的性能，例如，当前针对于中高频接收水声换能器(水听器)性能改进的研究主要集中在提高换能器的接收灵敏度方面，即通过提高换能器的机电转换效率，实现接收灵敏度的提高，进而增强换能器接收微弱信号的能力以及增大探测范围。
3.现有技术中提高换能器的接收灵敏度主要通过提高换能器的机电转换效率实现。例如，目前常见的1-3型压电复合材料就是通过将整块压电材料的厚度振动转化为许多压电小柱的纵向伸缩振动，改变了材料的振动模态从而来提高性能的。通过将单相的压电材料切割成压电小柱阵列，其整块压电材料的厚度振动（机电耦合系数约为0.5）将转化为压电小柱阵列的纵向长度伸缩振动（机电耦合系数约为0.7），通过改变材料的振动模态，1-3型压电复合材料等效厚度机电耦合系数会比纯压电材料厚度机电耦合系数提升约20%。然而，上述复合材料由于在压电柱之间填充了柔性聚合物材料，其整体依旧为厚度振动，且上述复合物的使用也增加了损耗。
4.上述现有的提高换能器灵敏度的技术方案仍有较大的改进空间：一方面，需要对压电小柱的形状、尺寸、排列方式不同所导致的对机电耦合系数的不同影响进行深入地研究并选取最佳的参数组合，另一方面，在对压电小柱阵列进行优化的基础上，需要对压电器件的整体结构进行进一步地改进，以使其能够充分提升有效机电耦合系数，从而与优化的压电小柱参数产生协同效应，以进一步地提升压电器件的性能。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中存在的问题，本技术的目的在于提供一种具有理想的有效机电耦合系数及高灵敏度的水声换能器用压电器件及其制备方法。
6.本技术的第一方面提供一种压电器件，包括第一压电模块、第二压电模块及导电平板；所述第一压电模块包括带有第一基底的第一阵列，所述第一阵列包括多个具有第一高度的第一压电柱；所述第二压电模块包括带有第二基底的第二阵列，所述第二阵列包括多个具有第二高度的第二压电柱；所述第一基底与所述第二基底的电极性相同，所述第一阵列的端面与所述第二阵列的端面对向地固定连接至导电平板的两侧。
7.优选地，每个所述第一压电柱的横截面为具有第一边长的正方形，所述第一高度与所述第一边长的比值大于等于5；每个所述第二压电柱的横截面为具有第二边长的正方形，所述第二高度与所述第二边长的比值大于等于5。
8.优选地，所述第一阵列的阵列周期与所述第一边长的比值为1.3～1.5；所述第二
阵列的阵列周期与所述第二边长的比值为1.3～1.5。
9.优选地，所述第一高度等于所述第二高度且所述第一阵列与所述第二阵列相对于所述导电平板镜像对称；所述第一基底的厚度与所述第二基底的厚度相同且所述第一基底与所述第二基底相对于所述导电平板镜像对称。
10.可选地，所述第一压电模块与所述第二压电模块所采用的压电材料为压电陶瓷和/或压电晶体。
11.所述导电平板由杨氏模量大于等于9
×
10^10pa，厚度为0.18mm～0.3mm的金属板材制成。
12.优选地，所述多个第一压电柱的缝隙之间填充空气且所述多个第二压电柱的缝隙之间填充空气。
13.本技术的第二方面提供一种压电器件的制备方法，用于制备上述压电器件，包括以下步骤：确定满足机电耦合性能指标的压电器件参数，所述压电器件参数包括所述第一压电柱与所述第二压电柱的横截面尺寸、所述第一高度与所述第二高度以及所述第一阵列与所述第二阵列的周期；按照所述压电器件参数对片状压电材料进行切割以形成所述第一压电模块与第二压电模块；将所述第一阵列的端面与所述第二阵列的端面对向地固定于所述导电平板的两面。
14.本技术的实施例提供的技术方案至少具有以下有益效果：首先，本技术采用新型的对向堆叠式压电器件结构，该结构在与单一压电模块同样的截面尺寸内能够容纳两个并联的压电模块，利用该种压电模块的堆叠式结构，能够在保持压电器件截面尺寸不变的情况下，对声信号转换得到的电信号的电流值进进行成倍放大，从而有效地提升了压电器件的灵敏度，更加有利于对极微弱的水声信号的识别；其次，采用对向堆叠且并联放大电流的压电器件结构，相对于单体压电模块，或串联的多个压电模块结构，能够进一步地提升有效机电耦合系数；此外，本技术提出的压电器件结构，在压电柱横向尺寸不变的情况下从整体上延长了压电柱的纵向长度，且单个压电模块中的压电柱无需设计得过细，从而在提升其纵向伸缩性能的基础上保证了其抗崩裂或折断的能力，进一步提升了压电器件的整体性能。
附图说明
15.图1a为根据本技术实施例的压电器件的主视图；图1b为根据本技术实施例的压电器件的侧视图；图1c为根据本技术实施例的压电器件的爆炸视图；图2a为根据本技术实施例的第一压电模块的主视图；图2b为根据本技术实施例的第一压电模块的俯视图；图2c为根据本技术实施例的第一压电模块的侧视图；图3a为纯压电材料所构成的压电柱体的示意图；图3b为1-3型压电复合材料所构成的压电柱体的示意图；
图3c为1-3-2型压电复合材料所构成的压电柱体的示意图；图3d为2-1-2型压电敏感材料所构成的压电柱体的示意图；图3e为对向堆叠结构的压电敏感材料所构成的压电柱体的示意图；图4为根据本技术实施例的对向堆叠式的压电器件结构中压电柱体的纵向振动特性；图5为根据本技术实施例的制备压电器件的主要步骤示意图；图6为使用本技术实施例的压电器件制造的水声换能器的爆炸图；图7a为根据本技术实施例1的制备压电器件的第一步骤的实物图；图7b为根据本技术实施例1的制备压电器件的第二步骤的实物图；图7c为根据本技术实施例1的制备压电器件的第三步骤的实物图；图8a为使用本技术实施例1的压电器件制造的水声换能器及使用2-1-2型压电敏感材料制造的水声换能器的空气中导纳测试结果；图8b为根据本技术实施例1的压电器件制造的水声换能器及使用2-1-2型压电敏感材料制造的水声换能器的水下导纳测试结果；图9为根据本技术实施例1的压电器件制造的水声换能器及使用2-1-2型压电敏感材料制造的水声换能器的接收灵敏度测试结果。
16.图中标号100：第一压电模块，110：第一压电柱，120：第一基底，200：第二压电模块，210：第二压电柱，220：第二基底，300：导电平板，400：密封层，500：外壳，600：金属盖。
具体实施方式
17.以下，基于优选的实施方式并参照附图对本技术进行进一步说明。
18.此外，为了方便理解，放大或者缩小了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本技术的保护范围。
19.单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。
20.在本技术实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是本技术实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，本技术的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本技术的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。
21.本说明书中词汇是为了说明本技术的实施例而使用的，但不是试图要限制本技术。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本技术中的具体含义。
22.本技术通过实施例提供一种压电器件，该压电器件可以具有理想的有效机电耦合系数及高接收灵敏度，能够应用于水声换能器中，通过压电效应实现声信号与电信号的相
互转换。
23.图1a示出了根据本技术的一些实施例提供的压电器件的结构主视图，图1b为该压电器件的侧视图，图1c为该压电器件的爆炸视图。如图1a至图3c所示，本技术实施例提供的压电器件包括第一压电模块100、第二压电模块200及导电平板300。
24.其中，第一压电模块100包括带有第一基底120的第一阵列，第一阵列包括多个具有第一高度的第一压电柱110；类似地，第二压电模块200包括带有第二基底220的第二阵列，第二阵列包括多个具有第二高度的第二压电柱210。
25.图2a至图2c分别示出了在一些实施例中，第一压电模块100的结构主视图、俯视图及侧视图，如图2a及图2c所示，第一压电模块100的第一阵列包括沿x、y方向周期性地排列于第一基底120上的多个第一压电柱110、其中每个第一压电柱110均具有相同的高度(即第一阵列的端面处于同一平面)，第一基底120的厚度为。
26.第二压电模块200具有与第一压电模块100相似的结构，相应地，每个第二压电柱210均具有相同的高度，第二基底220的厚度为 。
27.上述第一压电模块100与第二压电模块200所采用的压电材料为压电陶瓷或压电晶体，在本技术的实施例中，上述第一压电模块100可以通过对经过极化的厚度为的压电陶瓷片或压电晶体片以为切割深度垂直地进行切割制成；同样地，上述第二压电模块200可以通过对经过极化的厚度为的压电陶瓷片或压电晶体片以为切割深度垂直地进行切割制成；并且，在进行第一压电模块100以及第二压电模块200的切割时，其进刀方向应使得切割后得到的第一压电模块100的第一基底120与第二压电模块200的第二基底220具有同样的电极性。
28.图1a至图1c以及图2a至图2c所提供的实施例中，第一基底120及第二基底220的横截面形状为正方形，在其他可选的实施例中，本领域技术人员还可以根据设计要求修改上述第一基底120及第二基底220的横截面形状，如采用长方形、圆形、矩形环或圆环等截面形状等。
29.回到图1a至图1c，如图1a至图1c所示，在本技术的实施例中，第一压电模块100与第二压电模块200通过导电平板300进行固定连接，具体的连接方式为：使第一阵列的端面与第二阵列的端面对向设置，并分别通过导电胶等方式固定连接到导电平板300的两个侧面。经过上述固定连接的第一压电模块100、导电平板300及第二压电模块200，其第一基底120与第二基底220具有相同的一种电极性，第一阵列的端面、第二阵列的端面及导电平板300具有相同的另一种电极性。
30.在本实施例中，上述相同电极性镜像相对设置的第一压电模块100、第二压电模块200以及连接两个压电模块的导电平板300形成了一种新型的对向堆叠式压电器件结构，该结构在与单一压电模块同样的截面尺寸内容纳了两个并联的压电模块，利用该种压电模块的堆叠式结构，能够在保持压电器件截面尺寸不变的情况下，对声信号转换得到的电信号的电流值进进行成倍放大，从而有效地提升了压电器件的灵敏度，更加有利于对极微弱的水声信号的识别。
31.此外，上述对向堆叠且并联放大电流的压电器件结构，相对于单体压电模块，或串
联的多个压电模块结构，能够进一步地提升有效机电耦合系数。以下对其提升有效机电耦合系数的机理进行详细阐述。
32.在对换能器性能进行测定或评估时，除了可以通过机电耦合系数表征压电材料的压电效应和反向压电效应能量转换性能的强弱以描述压电类材料的综合性能外，还可以通过引入有效机电耦合系数以直观地描述材料的机电转换性能。
33.有效机电耦合系数是衡量敏感元件在谐振时转换性能最常用的参数，通常情况下，具有高有效机电耦合系数值的压电器件，其接收灵敏度也比较高。有效机电耦合系数的数值大小不但与振动模态有关，还与材料以及其尺寸参数有关，表征了无损耗、无负载的材料在谐振时存储的能量与存储的全部能量之比，其计算公式如下式所示：上式中，为其反谐振频率。
34.基于机电等效的类比原理，声学系统中的振速可以等效为电路中的电流。因此电流越大，可以认为其在谐振频率处的振速越大，即对同等声压作用其有效机电耦合系数越高，接收灵敏度也越高。
35.本技术实施例所提供的对向堆叠且并联放大电流的压电器件结构，由于在声电转换过程中能够成倍率地对电信号的电流进行放大，在其他条件保持不变的情况下，能够提升压电材料在谐振频率处的振速，并进而使得压电元器件在谐振频率处的值得到有效的提升，从而在增大电流以提升压电器件整体灵敏度的基础上，进一步提升其在谐振频率处的声电转换性能，实现了压电器件综合性能指标的优化。
36.为了验证本技术提出的对向堆叠结构对有效机电耦合系数提升的效果，分别计算不同的压电柱体结构所对应的有效机电耦合系数。图3a至图3e分别示出了使用不同的压电材料构成的压电柱体的示意图，其中图3a为纯压电材料所构成的压电柱体、图3b为1-3型压电复合材料所构成的压电柱体、图3c为1-3-2型压电复合材料所构成的压电柱体、图3d为2-1-2型压电敏感材料所构成的压电柱体、图3e为本技术的对向堆叠结构的压电敏感材料所构成的压电柱体，为保持变量的一致性，图3a中压电柱体的横向尺寸、图3b及图3c中压电柱体的结构整体横向尺寸与图3d及图3e中压电柱体的基底横向尺寸一致，图3b、图3c中柔性材料包裹的压电柱体横向尺寸与图3d及图3e中压电柱体的横向尺寸一致。五种器件结构中，都覆盖相同尺寸、相同厚度的金属板，为得到有效机电耦合系数，对各结构进行仿真，并计算各有效机电耦合系数列于表1中。
37.表1不同结构的压电器件的性能比较
通过表1能够看出，在其他条件相同的情况下，本技术实施例提供的压电器件结构的有效机电耦合系数最高，结合其对电流的放大所产生的提高微弱信号识别能力的作用，能够显著地从整体上提升压电器件的综合性能。
38.进一步地，如图2a至图2c所示，在本技术的一些优选的实施例中，每个第一压电柱110的横截面为具有第一边长的正方形，并且。类似地，在一些优选的实施例中，每个第二压电柱210的横截面为具有第二边长的正方形，并且。
39.研究表明，通过对压电柱体的尺寸参数进行合理地设计，尽可能地增大其纵向长度与横截面尺寸的比值(即尽可能地将压电柱体的整体结构设计为细长的形态)，能够有效地提升其纵向伸缩振动模态的机电耦合系数，从而实现接收灵敏度的提升，然而，由于压电陶瓷或压电晶体等材料的脆性，在压电器件整体尺寸限制条件下，如将单个压电模块的纵向长度与横截面尺寸的比值设置得过大，将使得单个压电柱对横向受力的抵抗不足，在对压电材料的切割过程中以及在压电器件的使用过程中，容易发生压电柱体的崩裂、折断等现象，从而影响了其纵向伸缩的性能。
40.图4示出了对本技术所提供的对向堆叠式的压电器件结构中一个具体的压电柱体的纵向振动特性的有限元分析情况，如图4所示，本技术提出的压电器件结构，在压电柱横向尺寸不变的情况下从整体上延长了压电柱的纵向长度，且单个压电模块中的压电柱无需设计得过细，从而在提升其纵向伸缩性能的基础上保证了其抗崩裂或折断的能力，进一步提升了压电器件的整体性能。
41.进一步地，如图2a所示，在上述优选的实施例中，第一阵列中各个第一压电柱110的阵列周期为，并且。类似地，在一些优选的实施例中，第二阵列中各个第二压电柱210的阵列周期为，并且。
42.进一步地，在本技术的一些优选的实施例中，第一压电模块100的各项尺寸参数与第二压电模块200的各项尺寸关系完全相同，即：等于，且第一阵列与第二阵列相对于导电平板300镜像对称；以及，且第一基底120与第二基底220相对于导电平板300镜像对称。
43.通过在第一阵列与第二阵列的端面之间设置导电平板300，以及设置第一基底120与第二基底220，能够起到应力放大作用以进一步提高换能器的接收灵敏度。导电平板300
的材料可以是金、银、铜等具有良好导电性的金属，一般地，通过减小该导电平板300的厚度，能够减轻由于其质量所导致的对压电柱纵向伸缩振动的影响，然而其厚度并非越薄越好，这是由于：当导电平板300的厚度过薄时，由于其整体刚性不足，其不同区域可能随着不同导电柱体的纵向伸缩而发生不同的形变，进而影响阵列振动的一致性，因此，在本技术的一些优选的实施例中，导电平板300由杨氏模量大于等于9
×
10^10pa，厚度在0.18mm～0.3mm之间的金属(例如黄铜)制成，从而保证导电平板300在质量与刚性之间取得较为理想的平衡。
44.如图1a至图1c以及图2a至图2c所示，在本技术的实施例中，各个第一压电柱110以及各个第二压电柱210的缝隙之间填充空气。通常人们习惯于用切割-填充法制备1-3型和1-3-2型压电复合材料，压电柱间所填充的聚合物一般为环氧树脂或硅橡胶，所制备成的压电复合材料使压电材料从整体的厚度振动模态转为压电小柱阵列的纵向伸缩振动模态，从而提高机电耦合系数。但由于聚合物的加入，增加了损耗，同时降低了机电耦合系数。本技术中用空气代替聚合物充填压电柱缝隙，可充分突显压电柱的纵振行为，使压电材料的厚度振动更大程度体现为压电柱形成的阵列的纵振行为，可最大限度的提高机电耦合系数。
45.本技术通过实施例还提供了一种上述压电器件的制备方法，具体地，制备方法包括以下步骤：(1) 确定满足机电耦合性能指标的压电器件参数，所述压电器件参数包括所述第一压电柱与所述第二压电柱的横截面尺寸、所述第一高度与所述第二高度以及所述第一阵列与所述第二阵列的周期；(2) 按照所述压电器件参数对片状压电材料进行切割以形成所述第一压电模块与第二压电模块；(3) 将所述第一阵列的端面与所述第二阵列的端面对向地固定于所述导电平板的两面。
46.图5示意性地提供了在确定压电器件参数后进一步进行压电器件制备的实施流程，如图5所示，在完成压电器件的制备后，进一步地还可以将上述压电器件整体地通过弹性的密封层400进行封装，以提高其防水密封性能。
47.图6的爆炸视图进一步示出了使用本技术实施例的压电器件制造的水声换能器的组成结构。如图6所示的水声换能器内部封装了上述压电器件(将第一压电模块100、第二压电模块200及导电平板300按上述制备方法进行制备)，上述压电器件外部以弹性的密封层400进行密封，水声换能器的两条电极引线其中一条连接导电平板，另一条连接第一基底与第二基底。此外，在该压电器件外部具有防水透声的外壳500，其上部通过金属盖600进行封装，从而完成水声换能器的制造。
48.实施例1在本实施例中，按照上述压电器件的制备方法进行压电器件的制备，并对制备得到的压电器件应用于水声换能器的性能进行测试。
49.压电器件的具体结构参数列于下表2中。
50.表2压电器件结构参数
1)制备过程具体地，图7a至图7c示出了本实施例中压电器件的制备过程，首先取压电陶瓷块并使用精密陶瓷切割机切割成适当大小，进一步地，切割成带基底的压电柱阵列，从而形成多个形状结构完全相同的压电模块(如图7a所示)；然后涂抹很薄的一层环氧树脂将黄铜材料的平板粘附至其中一个压电模块的压电柱阵列的上表面并施加高压，进行固化，从而形成2-1-2型压电敏感材料(如图7b所示)；最后将另一块压电模块的压电柱阵列的上表面镜像对称地粘附至平板的另一侧并施加高压，进行固化，从而形成本实施例的压电器件(如图7c所示)。
51.在完成上述压电器件的制备后，还可以将制作完成的材料作密封处理并放入自主设计的封装磨具中并灌入配置好的聚氨酯，进行高温固化和冷却脱模，以得到防水密封的压电器件。
52.如图7b、7c所示，粘附的黄铜平板需要略大于压电材料以留有焊接引线的部位，还可以使用银浆补偿因切割和其他实验过程而被迫破坏掉的电极。
53.2)性能测试及比较根据标准测试流程，对使用本实施例的压电器件制造的水声换能器以及利用图7b所示的2-1-2型压电敏感材料制造的水声换能器，分别进行空气中导纳测试以及水下性能测试，其中水下性能测试包括水下导纳测试以及接收灵敏度测试。
54.图8a示出了两种水声换能器的空气中导纳测试结果，图8b示出了两种水声换能器
的水下导纳测试结果。图9示出了两种水声换能器的接收灵敏度测试结果。其中实线为使用本实施例的压电器件制造的水声换能器的测试结果，虚线为使用2-1-2型压电敏感材料制造的水声换能器的测试结果。
55.根据图8b及图9所示，使用本实施例的压电器件制造的水声换能器及使用2-1-2型压电敏感材料制造的水声换能器，在水中工作时谐振频率分别约为118khz和228khz，接收灵敏度分别为-166db和-180db，两者的频率均位于高频范围，且使用本实施例的压电器件制造的水声换能器的接收灵敏度(-166db)要优于单独使用2-1-2型压电敏感材料制造的水声换能器(-180db)，更远远优于目前应用的各类曲面、圆柱、平面水声换能器（接收灵敏度小于-200db）。
56.以上对本技术的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本技术原理的前提下，还可以对本技术进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本技术权利要求的保护范围。