专利名称：一种制作铌镁酸铅－钛酸铅单晶纵振换能器的方法
技术领域：
本发明涉及一种声纳和水声换能器；特别是涉及一种控制铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器接收灵敏度的方法。
背景技术：
功能材料是换能器的关键部件，在很大程度上，换能器性能的提高依赖于新型功能材料的出现。20世纪五十年代发展起来的PZT压电陶瓷，以其较宽的工作温度范围和优良的机电转换效率成为水声换能器的首选材料。
近年来，新型功能材料弛豫铁电单晶材料如铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3，简称PMN-PT或者PMNT)在生长制备方面取得突破性进展，其研究与应用迅速成为换能器领域的新热点。研究显示，这种材料的压电应变常数d33、压电电压常数g33、介电常数ε33以及纵向机电耦合系数k33等性能指标都远远高于目前压电换能器领域普遍使用的PZT压电陶瓷材料，例如PMNT弛豫铁电单晶材料的压电应变常数d33高达2000pC/N；机电耦合系数k33达到90％以上，其应变量达到了1.7％。
近年来，国内外水声界对弛豫铁电单晶PMNT给予了极大的关注，尤其是作为一种新型的高性能压电材料，PMNT弛豫铁电单晶的高机电耦合系数和高压电应变常数等性能非常适合于制作高灵敏度的水声换能器。然而，采用常规方法制作出的PMNT弛豫铁电单晶水声换能器的接收灵敏度往往并不如理论分析的那样有着明显提高，有时还要比同尺度的压电陶瓷水声换能器下降不少。
研究表明，常规方法中采用的80℃以上高温工艺和50Mpa以上的大予紧力适合材料特性受温度和压力的影响不大的传统压电陶瓷。然而新型的PMNT弛豫铁电单晶材料对温度和应力却有着明显的依赖关系。(1)PMNT单晶的介温特性曲线中存在高、低温两个相变点(见图1)，其中三方-四方的低温相变点在50-80℃，远低于常规压电陶瓷的300℃左右的相变温度点，限制了制作中的工艺温度。(2)PMNT单晶对外界压应力很敏感，特别是PMNT单晶的电容受不同压应力的大小和施加方式有着很大的变化，而电容大小直接影响着换能器的接收灵敏度。因此，必须根据这类新型换能器材料的特点，采用全新的思路方法和相应的工艺来发挥PMNT弛豫铁电单晶优异的性能，从而达到优化控制换能器接收灵敏度的效果。
纵振换能器主要由前辐射头、压电元件堆、尾负载和应力螺杆、螺母组成(见图2)，其中压电元件堆是关键部位，最普遍采用的材料是压电陶瓷。当使用新型的压电材料PMNT单晶作为压电元件堆时，若仍旧采用传统压电陶瓷换能器的制作工艺来制作新型的纵振换能器，其接收灵敏度会很低，与理论预期相差甚远。研究表明，施加压应力的大小是关键的影响因素。由于PMNT单晶的电容和压应力的施加有密切的关系。(a)PMNT单晶的电容随压应力的施加方式不同有很大的变化。因此，在制作纵振换能器时，必须采取合适的方式施加预应力。(b)随着压应力的增加，PMNT单晶出现老化现象，其电容变大。尤其是多次反复的加、卸压应力下，PMNT单晶的电容大小出现不可恢复性，使得PMNT单晶换能器的接收性能会进一步下降。
常规方法中压电陶瓷换能器采用的是加力方式I(见图3)。先将换能器用夹具预先压紧，待预应力杆拧紧后，再将夹具退去。在纵向压电换能器中，陶瓷堆的刚度往往比预应力杆系统(包括螺杆、螺母)的刚度大得多，因此，在装配夹具夹紧时，陶瓷堆的形变量与预应力杆拧紧系统时的形变量相比时可以忽略的。所以，当退去装配夹具后，陶瓷堆上仅保留拧紧预应力杆时陶瓷堆所受的那部分压力。通常采用加力方式I时，受力过程中压电陶瓷承受的压力往往都大于200Mpa。然而，这种加力方式对于PMNT单晶材料是不合适的，以中科院上海硅酸盐所提供的尺寸大小为φ16×φ7×3mm，(001)切型的PMNT单晶圆片为例，在大于25Mpa的压应力的情况下，PMNT单晶材料往往就容易发生破裂的情况，更关键的是在压应力下PMNT单晶材料的性能会发生改变。其中，压应力下PMNT单晶的压电常数d33有所下降，但变化不大(在18Mpa预压应力下，压电常数d33也只是下降了10％左右。)但是，压应力下PMNT单晶的电容变化较大。既便是施加的预应力低于25Mpa，制作出的PMNT单晶纵振换能器的电容比未施加预应力时常常增大2-3倍，因此，找出施加预应力的合适方式及其预应力的最佳值是提高PMNT单晶纵阵换能器接收灵敏度的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对PMNT弛豫铁电单晶材料的特点，在制作纵振换能器过程中改进施加预应力的方式，及选择了预应力的最佳值，从而提供一种制作具有接收灵敏度高的PMNT弛豫铁电单晶纵振换能器的方法，充分发挥了该材料的高压电性能，并使之达到该纵振换能器的接收灵敏度具有可控性。
本发明的目的是这样实现的本发明提供的制作铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器的方法，包括以下步骤(1)首先根据需要采用Ansys软件，设计出PMNT单晶纵振换能器中的前辐射头、尾负载和压电晶片堆各部分所采用的材料、尺寸及其数量，其中压电晶片堆包括8片中心开有孔的PMNT单晶片叠在一起作成；(2)组装纵阵换能器用丙酮把纵阵换能器所选的材料表面清洗干净后，再把前辐射头与应力螺杆拧在一起，接着在8片PMNT单晶片表面涂抹上一层高温环氧胶，按照并联的电学方式穿在应力螺杆中，而且每两片PMNT单晶片间要加一片薄铜片作为电极，直到8片单晶片全装进入应力螺杆后，再把尾负载也套粘进入应力螺杆中，最后把螺母轻轻拧进应力螺杆后，组装完成的纵阵换能器；(3)施加予应力用台钳固定住组装好的纵振换能器的前辐射头，在预应力的施加中，采取直接在尾负载上加上一个单一预应力的新加力方式II，需要实时测量所施加压力大小时，还将测量压力大小用的石英压力传感器夹在尾负载和压电晶片堆之间(参考图4)，该预应力的大小可以根据需要进行调整，对纵阵换能器的接收灵敏度的最佳值来说，所预应力大小为5-12.0Mpa，然后把各部分压挤出的多余高温环氧胶擦净；再把同为正极的各铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的正极，而同为负极的各铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的负极；所采用加力方式II施加预应力如图3所示；(4)固化为了使环氧胶干燥固化，纵阵换能器要放入30-50℃的低温烘箱中进行20-72小时固化；(5)进行整体密封硫化将步骤(4)制作的换能器，用聚氨酯橡胶在30-50℃的温度下硫化20-40小时密封成单一阵，即得到本发明的铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器。
在上述的技术方案中，所述的作为电极的铜片大小为一片φ16×φ7×0.2mm。
在上述的技术方案中，所述的前辐射头和尾负载的材料分别选用铝或铜；在上述的技术方案中，所述的压电元件堆选用上海硅酸盐所提供的8片PMNT铁电单晶组成，该单晶的化学组分位于准同型相界(MPB)附近，为67/33，切型为(001)方向，晶片尺寸为φ16×φ7×3mm，压电性能d33≥1200pC/N；在上述的技术方案中，所述的密封硫化包括采用常规橡胶硫化密封工艺，或液体聚胺脂橡胶灌注密封。
该方法比起已有的常规加力方式操作更为简便，特别是避免了常规加力方式I中PMNT单晶受过大的预应力情况。实验研究表明，单一纵向预应力下，PMNT单晶材料的电容变化曲线的转折点出现在5.5Mpa±0.5Mpa左右(见下图5)。因此，本发明中采用5-6Mpa的优化预应力大小时，不仅PMNT单晶纵振换能器的电容没有上升，反而略有下降。也就是说，在施加5.5Mpa的单一纵向预应力时，PMNT单晶材料的电容量出现最低点，此时的电容有10％-30％左右的下降的幅度(单晶材料的离散性大，下降的幅度并不完全一致)。此后，电容在不断增加，在压应力为18Mpa左右时，PMNT单晶的的电容量已经有200％的增加。由于纵振换能器的接收灵敏度与电容密切相关，因此，根据实际需要，纵振换能器的接收灵敏度高可以通过预应力大小调整电容而得以实现。
本发明的主要优点在于(1)换能器的制作工艺温度低；本发明选用PMNT单晶圆片作为压电元件堆，又采用低于50℃工艺温度进行固化和硫化，避免了PMNT单晶材料性能发生较大变化(传统的压电陶瓷换能器往往采用的是80℃以上的高温工艺)。有研究表明，中科院上海硅酸盐研究所提供的尺寸为φ16×φ7×3mm，(001)切型的PMNT单晶圆片，在80℃6小时的温度处理后，压电性能下降60％以上；此外，如果同时加上压应力的作用，单晶元件的压电性能会降低下降很多，甚至于产生完全退极化现象而失去压电效应。可以从图5看出本发明选用PMNT单晶圆片与PZT材料相比性能的优点，图中T1#、T2#、D1#和D2#表示不同的样品的曲线。
(2)压应力较低；避免了纵振换能器中PMNT单晶元件的破裂，提高器件的安全可靠性。由于PMNT单晶自身较脆、强度低(仅仅为压电陶瓷的1/3)，生长缺陷、不均匀以及单晶元件实际加工中又容易产生微裂纹，这会导致PMNT单晶元件的强度进一步下降(低于30Mpa)。
(3)应力施加方式简便；可以根据实际需要施加合适大小的压应力，使PMNT单晶材料的高机电耦合性能得以发挥，对纵振换能器的接收灵敏度进行调整控制。
(4)可以根据需要；对施加预应力进行控制制作发射灵敏度高，同时接收灵敏度也比常规方法要提高2-3dB的PMNT单晶纵振换能器。
图1是PMNT单晶的介电特性曲线；图中表示两个样品的介电特性曲线；图2是常规纵阵换能器的结构示意3是通常的纵振换能器的常规加力方式示意4是本发明的纵振换能器的结构和加力方式示意5是PMNT单晶材料的电容变化曲线的转折点出现在5.5Mpa±0.5Mpa左右面说明前辐射头-1 压电元件堆-2尾负载-3螺母-4 应力螺杆-5 石英压力传感器-6夹具承力大螺杆-7夹具锁紧螺母-8 固定台钳-9具体实施方式
实施例1参考图2的结构，制作了一种谐振频率为11KHz的PMNT单晶纵阵换能器，按照图4的施加预应力的方式，详细对本发明的方法进行详细的说明(1)首先根据图2所示的纵阵换能器的结构，采用Ansys软件设计出该谐振频率为11KHz的PMNT单晶纵振换能器各部分(主要包括辐射头1、尾负载3和中间的压电元件堆2)所用的材料、尺寸及其数量。其中前辐射头1和尾负载3的材料分别选用铝和铜，前辐射头1的面设计为正方形40×40mm，尾负载3为φ20×φ7×32mm，使用一根通常的应力螺杆5，其直径为φ7mm。压电元件堆2是由上海硅酸盐所提供的8片PMNT铁电单晶组成，该圆片中心开有孔。该PMNT单晶的化学组分位于准同型相界(MPB)附近，为67/33，切型为(001)方向，PMNT铁电单晶片尺寸为φ16×φ7×3mm，压电性能d33≥1200pC/N。
(2)然后用丙酮把步骤(1)所选的纵阵换能器各部分的表面完全清洗干净，再把前辐射头1与应力螺杆5的前端拧前端在一起，再在PMNT单晶片表面涂抹上一层薄薄的高温环氧胶，而且在两片PMNT单晶之间要加一片φ16×φ7×0.2mm的薄铜片作为电极，并且叠放在一起组成压电元件堆2，按照并联的电学方式穿在应力螺杆中，而且每两片单晶间要加一片φ16×φ7×0.2mm的薄铜片作为电极，直到8片单晶片全装进入应力螺杆后，再把尾负载也套粘进入应力螺杆中，最后把螺母轻轻拧进应力螺杆尾端后，组装完成的纵阵换能器就可以施加予应力了；(2)采用加力方式II施加预应力(如图4所示)，本实施例的施加预应力的方式不同于已有技术的施加预应力的方式，不是先将换能器用夹具预先压紧，待预应力杆5拧紧(用夹具锁紧螺母8将夹具承力大螺杆7)后，再将夹具退去；本实施例的施加预应力的方式(可以实时测量所施加压力大小)用台钳9固定住组装好的纵振换能器的前辐射头1，还将测量压力大小用的石英压力传感器6夹在尾负载和压电晶片堆2之间(参考图4)，然后把应力螺杆5上的螺母4用扭矩扳手将纵阵换能器的各部分拧压在一起，该预应力的施加大小控制在5Mpa，然后把各部分压挤出的多余环氧胶用丙酮擦净。再把同为正极的各铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的正极，而同为负极的各铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的负极；(3)为了使环氧胶干燥固化，纵阵换能器要放入40℃的低温烘箱中进行30小时的固化。PMNT单晶换能器固化后，用电容表测量它的电容大小为10.7nF。
(4)依据以上制作的换能器样品硫化密封用聚氨酯橡胶在40℃的温度下硫化24小时密封成单一阵。在中国科学院声学研究所声学计量测试站的水池进行了测试，最大发射电压灵敏度Svmax＝145.7dB(对应频率为11KHz)，最大接收电压响应灵敏度为Momax＝-171.1dB(对应频率为13KHz)；同尺寸、同结构的压电陶瓷换能器在施加5Mpa最大发射灵敏度Svmax＝143.2dB(对应频率为14.5KHz)，最大接收电压响应灵敏度为Momax＝-169.4dB(对应频率为15KHz)。
实施例2参照图2的结构，按图4所示的加压方式和例1所描述的步骤，制作施加预应力大小为12.0Mpa的PMNT单晶换能器，然后在低温50℃下进行固化40小时。用电容表测得固化后的PMNT单晶换能器的电容大小为16.5nF。随后，在40℃下把PMNT单晶换能器用聚氨酯橡胶硫化24小时密封成单一阵。水池测试结果表明该PMNT单晶换能器的最大发射电压灵敏度Svmax＝147.0dB(对应频率为11KHz)，最大接收电压响应灵敏度为Momax＝-172.5dB(对应频率为14KHz)。与例1的PMNT单晶换能器相比，其发射灵敏度更高，接收灵敏度则略低些。
实施例3参照图2的结构，按图4所示的加压方式和例1所描述的步骤，制作施加预应力大小为6.0Mpa的PMNT单晶换能器，然后在低温60℃下进行固化70小时。在60℃把PMNT单晶换能器用橡胶硫化40小时密封成单一阵。
最后所应说明的是以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解对本发明方法进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种制作铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器的方法，包括以下步骤(1)首先根据需要采用Ansys软件，设计出PMNT单晶纵振换能器中的前辐射头、尾负载和压电晶片堆各部分所采用的材料、尺寸及其数量，其中压电晶片堆包括8片中心开有孔的PMNT单晶片叠在一起作成；(2)组装纵阵换能器用丙酮把将步骤(1)所选纵阵换能器的前辐射头、尾负载和压电晶片堆各部分材料表面清洗干净后，再把前辐射头与应力螺杆前端拧在一起，在8片PMNT单晶片表面涂抹上一层高温环氧胶，并在两片PMNT单晶片之间要加一片铜片作为电极，叠放在一起按照并联的电学方式，将所述的8片PMNT单晶片穿在应力螺杆上，直到8片PMNT单晶片全装进入应力螺杆后，再把尾负载也套粘在应力螺杆上，最后把螺母固定在应力螺杆另一端后，组装完成纵阵换能器；(3)施加予应力用台钳固定住步骤(2)组装好的纵振换能器的前辐射头，采取直接在尾负载上的施加单一预应力，通过拧紧螺母调整所施加的预应力大小，所述施加的预应力大小为5-12.0Mpa；再把同为正极的各铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的正极，而同为负极的各铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的负极；(4)固化将步骤(3)制作的纵阵换能器，放入30-60℃的低温烘箱中进行20-72小时的固化；(5)进行整体密封硫化将步骤(4)制作的纵阵换能器，在30-60℃的温度下硫化20-40小时，密封成单一阵，即得到本发明的铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器。
2.按权利要求1所述的制作铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器的方法，其特征在于所述的作为电极的铜片大小为φ16×φ7×0.2mm。
3.按权利要求1所述的制作铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器的方法，其特征在于所述的前辐射头和尾负载的材料分别选用铝或钢。
4.按权利要求1所述的制作铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器的方法，其特征在于所述的PMNT铁电单晶的化学组分位于准同型相界(MPB)附近，为67/33，切型为(001)方向，晶片尺寸为φ16×φ7×3mm，压电性能d33≥1200pC/N。
5.按权利要求1所述的制作铌镁酸铅-钛酸铅单晶纵振换能器的方法，其特征在于所述的步骤(5)中的密封硫化包括采用橡胶硫化密封工艺，或液体聚胺脂橡胶灌注密封。
全文摘要
本发明涉及制作铌镁酸铅－钛酸铅单晶纵振换能器的方法，包括以下步骤采用Ansys软件设计前辐射头、尾负载和压电晶片堆，将其组装在一起，用台钳固定住组装好的纵振换能器的前辐射头，采取直接在尾负载上施加5－12.0MPa大小的预应力，把同为正极的铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的正极，而同为负极的铜电极片用一根导线焊接在一起，作为换能器的负极；放入30－60℃的低温烘箱中固化20－72小时；进行整体密封硫化密封成单一阵的铌镁酸铅－钛酸铅单晶纵振换能器。该换能器的制作工艺温度低，应力施加方式简便，使PMNT单晶材料的高机电耦合性能得以发挥，对纵振换能器的接收灵敏度进行调整控制。
文档编号H01L41/08GK1921166SQ200510093278
公开日2007年2月28日 申请日期2005年8月23日 优先权日2005年8月23日
发明者温建强, 李俊宝, 解宝兴, 高俊琴, 李宗杰, 夏金东 申请人:中国科学院声学研究所