专利名称：甚高频超声探头的制作方法
技术领域：
本实用新型属于一种工业无损检测的器件。
超声探头广泛应用于工业无损检测。据《超声波探伤》(电力工业出版社1980年11月第一版)和《超声探伤B》(马羽宽等译，吉林科学技术出版社1985年6月第一版)中介绍，目前超声探伤使用的频率一般在10兆赫以下。国内生产的超声探头，其工作频率多数在15兆赫以下，且仅有生产企业标准，没有国家标准。更高频率的探头还没有正式的商业产品。中华人民共和国专业标准ZBY231－84规定了工作中心频率为1至5兆赫超声探头的测试方法。由于换能器晶片的厚度与工作频率成反比，甚高频工作频率的换能器晶片必须很薄，所以，晶片的强度较低，易破碎。因此，甚高频超声探头与低频探头在结构上有较大的差别。通常将换能器晶片附着在一个基体上来产生超声波。但是，作为超声探头使用时，基体会带来假讯号，另外，固体基体成为插在超声源与被测物体之间的中间介质，导致产生如何更好地耦合声波的问题。
由于工作频率较高，换能器晶片变薄，使换能器晶片的静电容随频率增加而加大，其阻抗随频率的平方值增大而减少，这使得换能器晶片馈电造成困难。
本实用新型的目的在于提出一种包含有超薄型压电晶片、导声柱、薄膜电极和声透镜所组成的器件。它加强了探头抑制杂波的功能，合理地解决了检测中假讯号问题。优化选择了电极的形状和大小，得到了较好的电阻抗匹配和较理想的超声场分布。
本实用新型的结构如
图1所示。它由压电晶片(2)、导声柱(4)、声透镜(5)、薄膜电极(1)、耦合层(3)、高频插头座(6)、引线(7)、外壳(8)、垫片(10)和吸声胶(9)所组成。
现结合图1和图2说明本实用新型的结构。
本实用新型的压电晶片(2)的厚度决定了整个探头的工作中心频率，其厚度在200微米至 5微米之间可使工作中心频率在15兆赫到200兆赫之间变化。压电晶片(2)产生的超声波经导声柱(4)照射到声透镜(5)上，由声透镜(5)聚焦后通过耦合剂(12)。通常是用水作耦合剂，传送到被测物体(13)上。
压电晶片(2)是压电铌酸锂单晶，晶片厚度在15微米到200微米之间。在本实用新型中，用导声柱(4)兼做晶片支撑。将晶片的一面通过耦合层(3)固定在导声柱(4)上，然后研磨晶片到规定厚度。测量晶片厚度除用普通方法以外，还可辅以用直接测量晶片谐振频率的方法来确定晶片的厚度。测量谐振频率的方法，其优点是它可以自动校正由于晶片材料特性偏差、晶体加工时厚度不均匀性以及粘接耦合层性质的分散性所造成的频率偏移。
耦合层(3)一方面将压电晶片(2)与导声柱(4)粘接在一起，另一方面作为电极之一将外电路激励电压引到换能器晶片上。此外，它还将换能器晶片(2)产生的超声波耦合到导声柱(4)中。根据压电换能器Mason等效电路的分析，耦合层(3)对换能器的特性影响很大。最佳条件是其声阻抗为两边介质声阻抗的几何中项，厚度为四分之一波长。这些条件较难满足，在甚高频情形就更加突出。此时，超声波波长很短，在几十微米到几百微米量级。而且，由于甚高频探头有很宽的工作频带，3dB相对带宽可以50％以上，因此，在实用上以尽量减薄耦合层的厚度为原则。采用真空镀膜使镀层在4000埃左右，即可使耦合层较小于波长，可基本上达到要求。
导声柱(4)用吸声胶(9)粘接在外壳(8)的腔内。导声柱(4)的长度在甚高频超声探头的设计中是关键数据，随工作环境不同可在0.5毫米到50毫米之间变化。导声柱越长，则加工难度就越大、费用越高。超声波在导声柱(4)中传播所需的时间长短决定了被测量物体的深度范围。通常，超声聚焦探头在低频工作时应使用水浸法，从探头到被测物的距离一般要在几十毫米或更高。介质对超声波的吸收随频率增高以指数规律增长。例如，水在100MHz时吸收可达2dB／mm。因此，甚高频超声测量时，水耦合层(12)应该极薄。然而，由于在耦合剂(12)与导声柱(4)以及耦合剂(12)与被测物体(13)之间，一般有着很大的声阻抗失配，因而存在着很强的界面反射波。这些界面波可比检测信号大几十分贝，很难设法消除。我们通过选择导声柱长度，将界面波以及由横波模式转换产生的干涉波排除出测量区。
导声柱(4)的长度l导应满足l导≥ 1/(2－K) · (V导)/(V样) ·h样 ……(1)其中h样－－样品厚度V导－－导声柱中超声波速度V样－－样品中超声波速度K －－导声柱中，纵波波速与横波波速的比值。
导声柱(4)的直径D导应满足
D导＜2 ·l导 ……(2)同时，在测量时，应使水耦合层厚度h水满足下式h水≥(K－1)· (V水)/(V导) ·l导 ……(3)其中V水－－水中的声速其它符号意义同前。
声透镜(5)是导声柱(4)一端的一个凹球面或平面。其曲率半径一般大于4毫米。当其为凹球面时，为聚焦探头；当其为平面时，为平探头。绝大多数固体介质，其声阻抗率都大于水的声阻抗率。在设计探头时必须考虑以下两点。首先，必须考虑导声柱介质与水的声阻抗匹配。在声透镜表面加一层高分子材料薄膜可改善导声柱介质与水的声阻抗匹配状态。在对声功率要求不太高的场合，也可以不加声阻抗匹配薄膜。其次，必须考虑水与被测介质界面对超声波的再聚焦作用，从而为了探测介质(13)的内部情况，声透镜必须具有较长的焦距。因为超声波在介质中的衰减随频率的增高而增大，致使测量焦距的常用方法－－水中小球反射法失效。我们采用替代法测量，可用两种方法。因焦距与频率关系不大，故先用适当的低频测量，即在测量焦距时，用低频晶片代替高频晶片。第二种方法是用熔石英或其它低超声损耗材料代替水作为传声介质来测量。
电极(1)是一层银薄膜，厚度在4000埃左右。电极的形状和大小，决定了探头的声学匹配与电学匹配的状态，从而极大地影响了探头的性能。本实用新型可采用三种电极形状，分别如图2(a)、(b)、(c)所示。图2(a)为圆形电极。电极(1)不同于低频时用的全电极，电极面积小于晶片面积，合适的电极面积大小保证了恰当的电阻抗匹配。图2(b)是双半圆电极，晶片Ⅰ与晶片Ⅱ是反向极化。两半电极串联使用。这种电极形状可增大声波辐射面积而不降低或少降低电阻抗匹配性能，从而提高了探头灵敏度。图2(c)是同心环形电极，适用于高分辨率，高频聚焦探头。中心圆形电极和外层环形电极分别用于发射和接收。这种电极结构形状一方面可使电路达到良好匹配，另一方面可具有较好的聚焦声束与合适的焦点大小。电极(1)外径在3毫米至10毫米之间。
电极引线(7)采用导电性能良好，柔软性好的银导线，一端焊接在电极(1)及耦合层(3)上，另一端焊接在高频插头座(6)上，作为压电晶片(2)的电激励通路。
甚高频探头通常用于高精度的检测装置中，其检测精度可以高达几十微米的量级。因此，必须要求很高的安装精度。甚高频探头，除与普通低频探头一样具有电气连接的高频插头座(6)外，在外壳上可以配以采用密纹螺距的定位导向螺纹(11)，也可以不用。
垫片(10)和吸声胶(9)用来固定导声柱(4)在外壳体(8)中的位置，以及吸收部份杂散超声波，同时起到水密封作用，防止水耦合剂渗入到探头内部。
本实用新型应用于致密材料或其它需要精密检测的工业领域，适用于微米级细致结构中缺陷的超声无损探场。其工作中心频率可为15MHZ－200MHZ，带宽50MHZ以上，中心频率处晶片的插入损耗不大于10dB。
图1是本实用新型的结构图。
图2是本实用新型的晶片电极结构图。
图3为本实用新型平探头带通实测曲线。
图4为本实用新型聚焦探头带通实测曲线。
本实用新型的一个具体实施例在于压电晶片(2)采用厚度为30微米的Y切铌酸锂单晶，晶片截面为φ6mm，电极(1)采用图2(a)所示的圆形电极结构，其直径为φ3mm。导声柱(4)采用熔石英，截面φ6mm，长度18mm，声透镜(5)抛光加工，光洁度 14。压电晶片(2)由耦合层(3)粘接在导声柱(4)上，导声柱(4)另一端带有声透镜(5)，透镜曲面的曲率半径为18.88毫米，其表面不加声匹配薄膜。其整体用垫片(10)和吸声胶(9)固定在外壳体(8)中，高频插头座(6)与电极(1)、耦合层(3)，用电极引线(7)联接起来。
本探头工作中心频率可达100MHZ，带宽为50MHZ，中心频率处换能器晶体插入损耗为7dB。
显见，本实用新型还可以有其它的实施例。
权利要求1.一种甚高频超声波探头，其特征在于它由压电晶片(2)、导声柱(4)、薄膜电极(1)和声透镜(5)所组成的内部结构以及一个带有或没有定位导向螺纹的外壳(8)，压电晶片(2)由耦合层(3)粘接在导声柱(4)的一个端面上，导声柱(4)另一端带有声透镜(5)，其整体用胶粘接，固定于外壳体(8)中，高频插头座(6)与电极(1)、耦合层(3)，用电极引线(7)联接起来。
2.按照权利要求1所说的探头，其特征在于所说的压电晶片(2)，其厚度在15至200微米范围内。
3.按照权利要求1所说的探头，其特征在于所说的导声柱(4)，其长度满足l导＝ 1/(2－K) · (V导)/(V样) ·l样，其直径满足D导＜2·l导 。
4.按照权利要求1所说的探头，其特征在于所说的薄膜电极(1)的形状，可分为圆形或双半圆形或中心圆形加同心圆环形三种。
5.按照权利要求1所说的探头，其特征在于所说的声透镜(5)，是位于导声柱端头的一个凹球面或一个平面，凹球面的曲率半径大于4毫米，其表面可以有或没有声匹配薄膜。
专利摘要本实用新型属于一种工业无损检测的超声换能器。它主要由压电晶片、导声柱和薄膜电极所组成。工作中心频率在十几兆赫至两百兆赫之间可选。相对带宽50％以上。对于聚焦型甚高频探头，还配有声透镜。透镜在水中的焦距可以任意设计，焦束长度较大，从而可以保证较宽的检测深度范围。本实用新型可适用于微米级细微结构的超声无损探伤以及其它需要精密检测的场合。
文档编号G01N29/04GK2097407SQ9120781
公开日1992年2月26日 申请日期1991年5月16日 优先权日1991年5月16日
发明者沈建中, 张守玉, 邓京军 申请人:中国科学院声学研究所