压电曲片式水声器晶体装置的制作方法

专利名称：压电曲片式水声器晶体装置的制作方法
技术领域：
本发明一般性地涉及水声器，特别涉及压电曲片式水声器晶体装置。特别地，本发明涉及改进的压电曲片式水声器晶体装置，该装置用来提高在压电曲片式水声器晶体不受损害的情况下水声器能工作的水的深度。
水声器是用于检测水中声能(压力变化)的压敏器件。因此，在把地震事件引起的、在水中传播的压力变化转换成电信号以便映射地下结构层时，水声器特别有用。
水声器的典型压电曲片式水声器晶体装置包括一个盘状的安装板和一个薄的、盘状的压电晶体，用环氧树脂层把该压电晶体连接到安装板的一侧。通常，另一个薄的、盘状的压电晶体以相同方式连接到安装板的另一侧。安装板在外壳中其周边被支撑，板上的负荷是均匀的，因此装置像均匀荷重的、带有夹紧边缘的圆板一样工作。声信号在水中产生压力变化使装置与声压力的增减同步反复弯曲。这使得压电晶体产生随压力变化而升降的电压。该类型的压电曲片式水声器晶体装置是高阻器件，因此晶体被连接到阻抗匹配变压器或前置放大器上，输出信号在到达记录装置之前要通过阻抗匹配变压器或前置放大器。
典型地，标准水声器，例如上面所提到的，因为要经历电容变化，所以在晶体使用期内不能产生始终如一的一致信号。电容变化使变压耦合电路的响应频率发生改变，并使前置放大器系统中输出信号的幅值变化。每一个水声器的电容量不同，因此，即使水声器在承受相同压力时，不同水声器的输出信号也不同。因此，即使电容变化不使水声器完全失效，由于输出信号的变化而使输出信号不能叠加(在测震工业中为减少测震数据采集系统的信噪比而通常使用的作法)。
曲片式水声器晶体装置至少在二十世纪七十年代初期就已存在，自晶体用于水声器之日起，便一直存在着电容改变产生不一致信号的问题。该问题的发生没有明显的迹兆。
多年来，为确定电容改变问题产生的根源，人们进行了大量不成功的试验。直到最近本发明人才发现电容改变是由发明人称为“微裂”(Micro-crazing)的现象所造成的。微裂是大量的非常窄的裂缝，当晶体在承受压力下放置时裂缝就产生。只有当晶体承受张力时才可以观察到裂缝。
如果水声器在水中降到足够深度，晶体中的拉伸应力就会达到产生微裂的界限。这改变了晶体的电容，晶体电容的改变使变压器耦合电路的的响应特性发生改变，也使前置放大器中输出信号的幅值发生改变。
当水声器拿回到水面时，晶体的变位减少到零，使裂纹有效地闭合。如果经受测试，水声器通常会工作良好，即使是金相试验也不能揭示微裂。如果再次放置到足够深度，裂纹就再次打开，水声器也就再次不能运行。因此，虽然问题的后果已广为人知，但其原因因而也是解决方案却并非如此。因为微裂的产生是拉应力的结果，并且因为拉应力随沉入深度增加而增加，所以，现在已观察到在适当深度能工作的水声器在更深处将不能工作。因此，由于需要在更深处进行地震勘测，而其深度超过了以往通常所尝试的深度，所以微裂现象带来的问题在最近已变得更加明显。
因此，本发明的一个目的在于提供一种压电曲片式水声器晶体装置，该装置具有提高了的惯性力矩以提高在晶体不产生微裂的情况下装置能工作的水的深度。
本发明的另一目的在于提供一种加固的压电曲片式的水声器晶体装置，通过向与安装板相对的晶体上施加导电粘合剂层，该装置在水的更深处是抗微裂的。
本发明的又一个目的在于提供一种在水的更深处是抗微裂的、加固的压电曲片式水声器晶体装置，以便使应用该加固的压电曲片式水声晶体装置的水声器所产生的输出信号是可叠加的。
已经指出使压电晶体承受热应力将减少晶体抵抗微裂的极限。因此，直接在压电晶体上进行电气连接的焊接增加了在压力低于期望压力时发生微裂的可能性。
因此，本发明的再一个目的是提供用于水声器的压电曲片式水声器晶体装置，该水声器包括连接到压电晶体的导电加固板，输出线可以在连接前焊接，因此就避免了晶体局部过热。
在附图中

图1是现有技术压电曲片式水声器晶体装置的顶视图。
图2是沿图1的线2-2所取的剖面图。
图3是正常频率响应曲线和使用阻抗匹配变压器的、有微裂表面的压电曲片式水声器晶体响应的图表表示。
图4与本发明的优选实施例一致的压电曲片式水声器晶体装置的顶视图。
图5是沿图4的线5-5所取的剖面图。
图6是双重压电曲片式水声器晶体装置的剖面图。
图7是单个压电曲片式水声器晶体装置的剖面图，该压电曲片式水声器晶体装置应用了粘性剂加固技术。
图8是单个压电曲片式水声器晶体装置的剖面图，该压电曲片式水声器晶体装置应用了可替代的粘性剂加固技术。
图9是单个压电曲片式水声器晶体装置的剖面图，该压电曲片式水声器晶体装置应用了另外的替代的粘性剂加固技术。
图10是应用了根据本发明制造的水声器的典型地震数据采集系统的概要图。
图1和图2表示了典型压电曲片式水声器晶体装置的顶视图和剖面图，该压电曲片式水声器晶体装置通常被作为10来引用，用于水声器进行地震数据采集。装置10包括安装板12和两个压电晶体板14，两个压电晶体板14通过导电环氧树脂层16连接到安装板12的相对侧上。通过把线18直接焊接到晶体上来实现对压电晶体的电气连接。然后，观测线18来检测相应板上的电压降，电压降在装置因压力变化而弯曲时产生。
当压电晶体板14弯曲时，根据弯曲方向的不同，该压电晶体板在一侧承受压力，在另一侧承受张力。当装置浸入水中时，静态压力提高，因此使得装置弯曲。压电晶体板上的拉应力在一些点变得相当大，使微裂产生。如前所述，微裂导致电容变化，电容变化又影响来自压电晶体板的输出信号。
例如，图3表示与降压变压器串接的压电曲片式水声器晶体装置的输出频率响应曲线。实曲线表示来自没有微裂的晶体的输出。虚曲线表示一旦发生微裂后晶体的频率响应。晶体的电容降低，并且如所示，响应频率和衰减比与没有受微裂影响的晶体的响应频率和衰减都高。
为降低在给定压差下晶体所承受的应力，提高了压电曲片式水声器晶体装置的惯性力矩。在图4和图5中所示的实施例30中，压电曲片式晶体装置30包括带有薄的盘状压电晶体14a的安装板12a，压电晶体14a通过诸如导电的环氧树脂层等导电的粘性剂层16a连接到安装板。通过这样安排，线18a就焊接到了加固板32上，这样安排而不是直接向压电晶体板14a焊接进行电气连接，是因为直接向压电晶体板14a焊接会损坏晶体。随后，加固板32及相连的线18a一起通过第二导电环氧树脂层连接到压电晶体板14a。
添加加固板有两个目的。第一，因为线被焊接到加固板上，所以压电晶体不会承受把线直接焊接到压电晶体上所产生的热应力。第二，添加加固板32提高了整个装置的惯性力矩和刚性，减少了在压力增加时弯曲所产生的压力和微裂量，这将使得水声器可以在更深的水中良好地工作。
在本发明的优选实施例中，安装板厚约0.03英寸，直径约1.5英寸。晶体厚约0.01英寸，而紧固板的厚度约为0.003英寸。两个导电环氧树脂层都厚约0.001-0.002英寸。根据所要的输出电压不同层的厚度可以调整；根据所要的输出电压、最大的工作水深以及所有选用材料的杨氏模量(Young′s Modulus)，可以调整不同层的厚度。当选择晶体时，温度是需要考虑的附加因素。
加固板34的直径是0.80英寸，比压电晶体14的直径0.98英寸略小，以防止环氧树脂跨接晶体使电路短路。这些尺寸并不是关键性的，并且也依赖于所要的电压和深度。有许多为该领域的普通技术人员所公知的方法来实现不同层间的电气隔离。
安装板和加固板均系由铍铜制成，但也可由任何导电弹性材料制成，如不锈钢等。然而，如果直接向压电晶体进行电气连接，加固板就不必是导电性的。
压电晶体是EDO生产的EC-65。然而，可以使用任何能够受压产生电压的压电材料，例如Channel或Motorola的产品。
导电环氧树脂系由DYMAX 847粘接剂和金属粉末混合而成，其中DYMAX 847由Connecticut州Torrington的DYMAX公司生产，金属粉末可以是铜粉末或银粉末。然而，可以使用用该领域普通技术人员公知的技术生产的任何导电粘接剂。
尽管图4和图5示出了安装到安装盘的两个压电晶体即双重晶体装置，然而，一个压电曲片式水声器晶体装置只需要一个晶体。
为使压电曲片式晶体水声器对加速不那么敏感，如图6所示，在黄铜环40上安装了两个双重晶体装置A和B，来产生双重晶体和双重压电曲片式水声器晶体装置。在装置上配置晶体极性使在水中移动时起作用消除加速。把晶体连接到记录装置的方式已为该领域的普通技术人员所公知。极性配置可以根据连接的配置方式而改变。整个晶体即双重压电曲片式水声器晶体装置系由在每个安装板上安装一个晶体来形成。
图7、图8和图9示出了三种可替换的压电曲片式水声器晶体装置，其中使用粘接剂层加固未连接的表面晶体减少微裂量。三种装置都包括安装板12c、12d和12e，14c、14d和14e通过导电环氧树脂层16c、16d和16e连接到12c、12d和12e。
在图7中，线18c直接焊接到晶体14c。然后在与安装板12c相对的晶体表面上敷了一层加固粘接剂42。可以使用任何粘性足以加固晶体、防止或减少微裂的粘性剂。例如，可以使用DYMAX 847粘接剂。即使晶体承受把线18c直接焊接到晶体14c所产生的热应力，添加粘接剂层也加固了晶体表面，使其不易产生微裂。不要求粘接剂层是导电性的。该晶体装置可能不能承受和优选装置相同的压力。然而，该装置可以比现有技术的装置承受更高的压力。
因为线18d没有焊接到晶体18d上，所以图8中所示的装置比图7的装置能够承受更大的压力。晶体18d连接到线连接板44上，线连接板44通过粘接剂层42a连接到晶体14d上。尽管通过对靠着晶体的非导电粘接剂推板44加压可以实现电气连接，但使用导电粘合剂层可以实现更好的连接。在该装置中的晶体和线之间的电气连接不如图7所示的更有效，但晶体没有承受焊接所引起的热应力，因此可以确信该装置与图7的装置相比、能够在更高的压力下工作。
当线没有电气隔离时，有可能通过如图9所示把线18e直接连接到导电粘合剂层42b上来进行与压电晶体的电气连接。在这个实施例中，晶体与直接焊接到晶体所引起的热应力多少有所隔离。然而上面所述的装置被证明是更可靠的。
粘合剂层42，42a和42b的厚度依赖于在水中的最大工作深度和粘合剂的物理特性。然而，使用DYMAX 847粘合剂时，认为层42、42a、42b中任一层的厚度应该大约为0.005英寸。该厚度大约为导电层16c、16d和16e中任一层的典型厚度的5倍，导电层16c16d和16e中任一层的典型厚度约为.001-.002英寸。通过敷若干层涂层可以得到较厚的层，直到得到合适的厚度为止。
以上所述的任何晶体都可用于典型的地震数据采集系统中，来产生可叠加以增强信噪比的输出信号，这已为该领域的普通技术人员所公知。图10示出了这样的一个地震数据采集系统。水声器48被放到水50中，并且水声器48由锚54固定在特定位置，其中水50覆盖着感兴趣的地下区域52。浮标56标识水声器的位置。震源60在水中被船62拖航，产生声压差64，声压差64被地下区域反射回来，由水声器48检测。水声器响应声压差产生输出电信号。可以用该领域普通技术人员所熟知的技术来叠加电信号。
由上述可知，本发明具有良好的适应性，能够得到此前所述的全部结果和目的，还带来另外的优点，这些优点是显而易见的并且为该装置和设备所特有。
可以理解，某些特征和子系统是实用的并且可以独立使用而与其他特征和子系统无关。这是所期望的并且不超出权利要求的范围。
不离开此权利要求范围就可以实施本发明的一些可行的实施例，因此可以理解，这里所述和在附图中所示内容在任何情况下都应解释为是说明性的而不是限制性的。
权利要求
1.一种压电曲片式水声器晶体装置，该装置安装在水声器外壳中，用来响应水中的声压变化产生电信号，其特征在于，所述装置包括一个盘状的安装板，该安装板沿其周围安装在水声器外壳中，板上的不均匀水压使安装板从外缘向中心弯曲；一个盘状的压电晶体板；第一导电粘合剂层，该导电粘合剂层位于盘状压电晶体板和盘状安装板的一侧之间，用于把盘状晶体板的一侧连接到盘状安装板上，因此当压电曲片式水声器晶体装置承受声压增长时，晶体将从外缘向中心径向弯曲；一个盘状的加固板；第二导电粘合剂层，用来把加固板连接到盘状晶体板的另一侧，以提高压电曲片式水声器晶体装置的截面模量，减少晶体板在给定水深时板中的应力以及因而提高晶体装置在不产生微裂的情况下所能工作的水的深度。
2.如权利要求所述的压电曲片式水声器晶体装置，其特征在于进一步包括盘状的第二压电晶体板；第三导电粘合剂层，该粘合剂层位于第二盘状压电晶体板和盘状安装板的另一侧之间，用来连接第二盘状压电晶体板的另一侧，因此晶体将与安装板从外缘向中心径向弯曲；盘状的第二加固板；和第四导电粘合剂，用来把第二加固板连接到第二盘状压电晶体板的另一侧以进一步提高压电曲片式水声器晶体装置的截面惯量、进一步减少第二晶体板在给定水深时板中的应力以及因而提高该晶体装置在不产生微裂的情况下所能工作的水的深度。
3.如权利要求1或2中的装置，其特征在于，其中加固板是由导电材料制造的。
4.如权利要求1中的压电曲片式水声器晶体装置，其中安装板和加固板是由铜制造的。
5.如权利要求4中的压电曲片式水声器晶体装置，其中铜是铍铜。
6.如权利要求1中的压电曲片式水声器晶体装置，其中安装板和加固板是不锈钢。
7.如权利要求1中的压电曲片式水声器晶体装置，其中加固板的外观尺寸比压电晶体的小。
8.如权利要求1中的压电曲片式水声器晶体装置，其中安装板、导电加固板和压电晶体都是盘状的。
9.如权利要求1中的压电曲片式水声器晶体装置，其中第一金属板厚约0.03英寸，加固板厚0.003英寸，压电晶体厚0.01英寸。
10.一种双重压电曲片式水声器晶体装置，该装置被安装到水声器外壳上，用来响应水中的声压变化产生电信号，其特征在于，所述装置包括第一压电曲片式水声器晶体装置，包括第一盘状安装板，该安装板沿其周围安装在水声器外壳中，板上的不均匀水压使安装板从外缘向中心弯曲；第一盘状的压电晶体板；一个导电粘合剂层，该粘合剂层位于盘状压电晶体板和第一盘状安装板的一侧之间，用于把第一压电晶体板的一侧连接到第一安装板上，当压电曲片式水声器晶体装置承受增长的声压时，晶体和安装板将从外缘向中心径向弯曲；第一加固板；导电粘合剂层，用来把第一加固板连接到第一压电晶体板的另一侧以提高第一压电曲片式水声器装置的截面模量；第二电压曲片式水声器晶体装置，包括第二盘状安装板，用来安装在水声器外壳中，第二安装板上的不均匀水压使该安装盘从外缘到中心径向弯曲；第二盘状压电晶体板；一个导电粘合剂层，该粘合剂层位于第二盘状压电晶体板和第二盘状安装板的一侧之间，用于把第二盘状压电晶体板的一侧连接到盘状的第二安装板上，当压电曲片式水声器晶体装置承受增长的声压时，晶体板与第二盘状安装板从外侧向中心径向弯曲；第二加固板；导电粘合剂层，用来把第二加固板连接到第二盘状压电晶体板的另一侧以提高第二电压曲片式水声器装置的截面模量；和一个黄铜环，该黄铜环安装在水声器外壳中，水声器外壳具有安装在黄铜环一侧的第一压电曲片水声器晶体装置和安装在黄铜环另一侧的第二压电曲片式水声器晶体装置，这样构成了双重压电曲片式水声器晶体装置，该装置可以在更深的水中工作，且压电晶体输出信号不易受加速影响。
11.如权利要求10的压电曲片式水声器晶体装置，其特征在于，进一步包括第三盘状压电晶体板；导电粘合剂层，该粘合剂层位于第三盘状压电晶体板和第一盘状安装板的另一侧之间，用于把第三盘状压电晶体板的一侧连接到第一盘状安装板上、与另一盘状安装板一起从外缘向中心径向弯曲；第三加固板；导电粘合剂层，用来把第三加固板连接到第三盘状压电晶体板的另一侧以提高第一压电曲片式水声器装置的截面模量；第四盘状压电晶体板；导电粘合剂层，该粘合剂层位于第四盘状压电晶体板和第二盘状安装板之间，用于把第四盘状晶体板的一侧连接到第二盘状安装板上、与第二盘状安装板一起从外缘向中心径向弯曲；第四加固板，和导电粘合剂层，用于把第四盘状加固板连接到第四压电晶体板的另一侧、以提高第二压电曲片式水声器装置的截面模量。
12.如权利要求10的压电曲片式水声器晶体装置，其特征在于，其中第一和第二压电晶体装置对着黄铜环的内侧。
13.一种压电曲片式水声器晶体装置，该装置安装在水声器外壳中，响应水中的声压改变产生电信号，其特征在于，所述装置包括一个盘状的安装板，该安装板安装在水声器外壳中，板上的不均匀水压使安装板从外缘向中心弯曲；一个盘状的压电晶体板；第一导电粘合剂层，该粘合剂层位于盘状压电晶体板和盘状安装板的一侧之间，用于把盘状晶体板的一侧连接到盘状安装板上，因此晶体与盘状安装板一起从外侧向中心径向弯曲；第二粘合剂层，该粘合剂层与盘状压电晶体板的另一侧相连以加固盘状压电晶体板表面并提高了晶体装置在不产生微裂的情况下能够工作的水深。
14.如权利要求13的压电曲片式水声器晶体装置，其特征在于第二粘合剂层是导电的、并进一步包括与第一粘合剂层连接的线，用于与压电晶体板进行电气连接。
15.如权利要求13的电压曲片式水声器晶体装置，其特征在于第二粘合剂层是导电的、并进一步包括其上带有连线的线连接板，用于通过第二粘合剂层与压电晶体板连接。
16.如权利要求13的压电曲片式水声器晶体装置，其特征在于进一步包括与压电晶体板连接的线，用于进行电气连接。
17.一种在水中采用了多个水声器以便产生响应水中的声压差改变的多个电信号的地震数据采集系统中，在该系统中对来自水声器的信号进行叠加，那里每个水声器包括一个响应水中的压力升高而弯曲的压电曲片式水声器晶体装置，因此该装置响应从地层反射来的声能而弯曲，改进型具有压电曲片式水声器晶体装置，该装置包括一个盘状安装板；一个盘状压电晶体；导电粘合剂层，该粘合剂层位于安装板和晶体之间，用于把该晶体添加到板上使晶体响应从地层反射来的声能而和板一起弯曲；刚性材料的盘状加固板；和粘合剂层，该粘合剂层位于加固板和晶体之间、使加固板和晶体一起弯曲，其中所说的粘合剂层和加固板提高了装置的截面模量因而允许大量的这类装置在更深的水处工作、提供可以叠加的输出信号。
全文摘要
公开了一种压电曲片式水声器晶体装置，该装置被安装到水声器外壳中，用来响应水中的声压变化产生电信号。该装置包括盘状的安装板(12a)，该安装板安装在水声器外壳中，板上的不均匀水压使安装板弯曲。压电晶体的薄板(14a)通过导电粘合剂层(16a)连接到安装板上，导电粘合剂层(16a)随安装板而弯曲。加固板(32)通过导电粘合剂层(34)连接到与安装板相对的晶体侧，用来提高晶体装置能够工作的截面惯性力矩和水深。
文档编号B06B1/06GK1143918SQ95192107
公开日1997年2月26日 申请日期1995年3月14日 优先权日1994年3月15日
发明者D·M·K·胡 申请人:肖氏工业有限公司