一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺

本发明涉及水声换能，尤其是涉及一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺。

背景技术：

1、由于声波是已知的唯一能在大海中远距离传递信息和能量的载体，因此水下探测、通讯、导航、测绘等主要依赖水声换能器。当前针对水声换能器的研究主要集中在换能器的灵敏度、带宽、工作频率、指向性，耐压等几个方面。提高换能器的灵敏度，就是提高换能器的机电转换效率，机电转换效率反映了换能器发射电压响应和接收灵敏度性能的好坏。提高换能器的发射电压响应可以提高换能器的辐射声波的能力，即换能器只需要较小的电压就可以获得较大的振幅；提高换能器的接收灵敏度可以提高换能器接收声波的能力，特别是对微弱声波信号的探测能力。又因为机电转换效率和机电耦合系数存在着正比的关系，机电耦合系数越大，则换能器的机电转换效率就越高。因此，提高换能器的机电转换效率即就是提高换能器的机电耦合系数。

2、如何提高换能器的机电耦合系数正是当前换能器研究的热点问题，由于压电材料的纵向长度伸缩振动模态的机电耦合系数k33通常都大于其厚度振动模态的机电耦合系数kt。因此，如果可以将压电材料的厚度振动模态转化为纵向长度伸缩振动模态，压电材料的机电耦合系数就能得到提高。例如，目前研究最多的1-3型压电复合材料，其就是将整块压电材料的厚度振动转化为多个压电小柱的纵向长度伸缩振动，改变压电材料的振动模态，从而提高了换能器的性能。与纯压电材料的厚度振动机电耦合系数相比，1-3型压电复合材料等效的厚度振动机电耦合系数提升了约20％。同样，压电复合材料在其他方面也具有良好的性能。例如，其声阻抗低，可以和水介质较好的匹配；并且制备的换能器重量轻，具有较宽的频带；但由于聚合物材料的引入，也产生如下缺点：

3、(1)使压电小柱的长度伸缩振动在小柱和聚合物的交界面处产生截切波，引起横向振动，导致长度伸缩振动模态纯度下降，降低了机电耦合系数。

4、(2)增加了机械损耗，且复合材料在工作发热时，容易发生变形，导致换能器性能发生变化。

5、(3)复合材料在拓展带宽的同时，又降低了换能器的灵敏度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，能够降低工作频率，提高机电耦合系数，提高换能器的灵敏度。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种水声换能器的压电敏感元件，包括依次设置的金属后盖板、吸声层和若干组压电模块，每组包括两个所述压电模块，所述压电模块包括基底、压电小柱阵列、金属板，所述压电小柱阵列与所述基底一体连接，所述金属板固定在所述压电小柱阵列的顶端，两个所述压电模块相对设置，分别属于两个所述压电模块的所述金属板粘接在一起，其中一个所述基底的背面贴附所述吸声层，所述吸声层的背面贴附所述金属后盖板，所述金属后盖板、所述压电模块和所述吸声层均设置于防水透声层内。

3、优选的，所述基底的表面引出负电极引线，所述金属板的表面引出正电极引线，所述负电极引线和所述正电极引线穿过所述金属后盖板并伸入导线。

4、优选的，所述压电模块采用pzt系列的压电陶瓷或pmn系列的压电单晶，所述压电小柱阵列中的压电小柱之间的缝隙内填充空气。

5、优选的，所述金属板为铜板、铝板或者铁板，所述吸声层为塑料泡沫，所述金属后盖板为不锈钢材质，所述防水透声层为聚氨酯灌封胶固化而成。

6、优选的，所述压电模块的俯视图为正方形、长方形或圆形。

7、一种水声换能器的压电敏感元件的制备工艺，步骤如下：

8、s1、在压电材料片的两面均镀上电极，在z方向将压电材料片极化，沿着x和y方向切割压电材料片，形成压电小柱阵列和与压电小柱阵列一体连接的基底；

9、s2、在压电小柱阵列的表面粘接金属板，形成压电模块；

10、s3、将两个压电模块的金属板相对设置，并通过柔性材料粘接在一起；

11、s4、在其中一个压电模块的基底背面贴附吸声层；

12、s5、在吸声层的背面贴附金属后盖板；

13、s6、从基底的表面引出负电极引线，从金属板的表面引出正电极引线，正电极引线和负电极引线穿过金属后盖板并伸入导线内；

14、s7、在压电模块、吸声层和金属后盖板的外部通过聚氨酯灌封胶固化形成防水透声层。

15、因此，本发明采用上述结构的一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，具有以下有益效果：

16、(1)将相邻的压电小柱之间填充的聚合物(通常为环氧树脂或硅橡胶等)更换为空气，避免了压电材料的横向耦合，提高压电材料的厚度振动模态纯度与有效机电耦合系数。

17、(2)将压电材料的厚度振动转化为压电小柱阵列的长度伸缩振动，改变了材料的振动模态，将压电材料的厚度机电耦合系数kt转变为纵向机电耦合系数k33，提高了机电耦合系数。

18、(3)通过压电材料的基底，提高了压电材料的温度和压力稳定性，通过压电小柱阵列表面的金属板，对压电小柱阵列起到应力放大的作用，从而提高接收灵敏度。

19、(4)通过各压电模块面对面串联相接的方式降低工作频率，实现低频在深海工作的效果。并且采取面对面串联相接结构可以起到框架支撑的作用，避免压电小柱断裂，具备抗振动、耐机械冲击的性能。

20、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：包括依次设置的金属后盖板、吸声层和若干组压电模块，每组包括两个所述压电模块，所述压电模块包括基底、压电小柱阵列、金属板，所述压电小柱阵列与所述基底一体连接，所述金属板固定在所述压电小柱阵列的顶端，两个所述压电模块相对设置，分别属于两个所述压电模块的所述金属板粘接在一起，其中一个所述基底的背面贴附所述吸声层，所述吸声层的背面贴附所述金属后盖板，所述金属后盖板、所述压电模块和所述吸声层均设置于防水透声层内。

2.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述基底的表面引出负电极引线，所述金属板的表面引出正电极引线，所述负电极引线和所述正电极引线穿过所述金属后盖板并伸入导线。

3.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述压电模块采用pzt系列的压电陶瓷或pmn系列的压电单晶，所述压电小柱阵列中的压电小柱之间的缝隙内填充空气。

4.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述金属板为铜板、铝板或者铁板，所述吸声层为塑料泡沫，所述金属后盖板为不锈钢材质，所述防水透声层为聚氨酯灌封胶固化而成。

5.根据权利要求1所述的一种水声换能器的压电敏感元件，其特征在于：所述压电模块的俯视图为正方形、长方形或圆形。

6.一种如权利要求1-5任意一项所述的水声换能器的压电敏感元件的制备工艺，其特征在于，步骤如下：

技术总结
本发明公开了一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，属于水声换能技术领域，敏感元件包括依次设置的金属后盖板、吸声层和若干组压电模块，压电模块包括基底、压电小柱阵列、金属板，压电小柱阵列与基底一体连接，金属板固定在压电小柱阵列的顶端，每组包括两个压电模块，两个压电模块相对设置，分别属于两个压电模块的金属板粘接在一起，其中一个基底的背面贴附吸声层，吸声层的背面贴附金属后盖板，金属后盖板、压电模块和吸声层均设置于防水透声层内；还包括敏感元件的制备工艺。本发明采用上述结构的一种水声换能器的压电敏感元件及其制备工艺，能够降低工作频率，提高机电耦合系数，提高换能器的灵敏度。

技术研发人员：王宏伟,魏彤
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14