專利名稱：漸變過渡聲阻抗匹配層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
漸變過渡聲阻抗匹配層技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體是一種漸變過渡聲阻抗匹配層。
背景技術(shù)：
[0002]隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步，工業(yè)，科技，電子通迅逐步實現(xiàn)智能化，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在國家十二五規(guī)劃中新的篇章，而傳感器是物聯(lián)網(wǎng)首要器件，而本發(fā)明漸變聲阻抗匹配材料是傳感器對外界感知性能的重要部分，決定著感知信號強(qiáng)弱，除物聯(lián)網(wǎng)外，還應(yīng)用于工業(yè)高精定位，煙霧探測，料位，液位測試，屬于聲學(xué)材料行業(yè)。此材料居于傳感器振動元件與空氣接觸面之間，將振動元件所產(chǎn)生的機(jī)械振動超聲波能量傳遞到空氣中，同時當(dāng)振動超聲波作用于此匹配材料時，又將振動能量傳輸給振動器件，在此能量傳輸過程中，要求能量損失要達(dá)到最小(或能量吸收最小)，達(dá)到聲學(xué)中最重要的參數(shù)聲阻抗Z匹配，現(xiàn)在的聲阻抗材料主要有兩種一種使用金屬材料，直接與壓電振動器件連接，一種采用不同聲阻抗的匹配材料粘合在一起構(gòu)成梯度聲阻抗材料與壓電振動器件連接。金屬材料作為阻抗匹配層只適合于幾十千赫茲普通傳感器使用，不適于用高頻率傳感器，而傳統(tǒng)方法使用不同聲阻抗材料粘合在一起形成梯度材料，雖能做到高頻率，但由于材料屬于多層粘合，在聲波能量傳輸過程中雖然層與層之間阻抗的變化起過阻抗逐漸變化的作用，但層與層之間對聲波能量存在大幅度的衰減(靈敏度衰減大)，使得傳感發(fā)射或接收的信號不能有效的傳輸。常規(guī)的聲阻抗匹配材料如圖一，使用金屬材料作為壓電振動元件與空氣間的匹配層，將壓電元件的振動超聲波信號通過金屬片耦合到空氣中，又將空氣中返回的超聲波振動能量傳輸給壓電元件,此種結(jié)構(gòu)傳感器其工作頻率只能做到70KHZ以下，對于高頻率，金屬匹配元件的尺寸需變化，使得在高頻段對超聲波信號衰減太大，使得接收靈敏度低，此種材料方案不宜用作 100K以上的高頻率傳感器。圖二使用多層梯度阻抗材料，使匹配層聲阻抗居于壓電振動元件I與空氣的聲阻抗之間，其阻抗關(guān)系壓電元件1>A1>A2>A3>A4>空氣介質(zhì)，A4聲阻抗接近于空氣的聲阻抗，Al的聲阻抗接近于壓電振動元件的聲阻抗，其工藝方法將不同阻抗材料利用樹脂粘合，如圖所示al、a2、a3。雖然能使聲阻抗階梯過渡，由靠近壓電振動元件高阻抗降為接近空氣的低阻抗，但超聲波能量在傳輸過程中經(jīng)過多個樹脂層，對超聲波能量進(jìn)行大量的吸收與衰減，導(dǎo)致產(chǎn)品靈敏度低。發(fā)明內(nèi)容[0003]本發(fā)明要解決的 問題是怎么提供能量損失小而能達(dá)到最重要的參數(shù)聲抗Z匹配， 本發(fā)明提供了一種漸變過渡聲阻抗匹配層。[0004]本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案[0005]漸變過渡聲阻抗匹配層，它包括低阻抗層與高阻抗層，其中高阻抗層連接壓電振動元件，低阻抗層與高阻抗層一體制造成型。[0006]該漸變過渡聲阻抗匹配層通過如下方法制得，[0007]步驟一、材料的選取，選取填充料、樹脂和偶聯(lián)劑，其中，填充料密度在O. Olg/cm3-lg/cm3,抗壓強(qiáng)度在 lMPa-30MP，樹脂比重1. 12g/cm3,粘度 3000-15000mpa. s，偶聯(lián)劑為氨基類硅烷偶聯(lián)劑；[0008]步驟二、材料配比，將步驟一的填充料、樹脂和偶聯(lián)劑進(jìn)行配比，比例為填充料樹脂偶聯(lián)劑=0.5:1:0.015 ；[0009]步驟三、抽真空攪拌，將步驟二中的材料按比例配置好后放入攪拌容器中，將容器置入真空攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，攪拌同時開啟真空泵，抽去混合材料中的空氣，攪拌10分鐘；[0010]步驟四、固化，將步驟四中攪拌均勻的材料放入烘箱中固化，固化采用階梯溫度固化第一階梯段，40°C，4-6小時；第二階梯段，60°C，6-10小時；第三階梯段，80°C，6_10小時；第四階梯段，IOO0C, 12-24小時，然后形成漸變過渡聲阻抗匹配材料。[0011]此工藝方式的優(yōu)點在于，采用階梯溫度固化使樹脂的粘度先由稠變稀，此過程填充材料根據(jù)密度不同形成不同的沉積層，密度小的往上浮，相對密度大的往下沉，層與層之間無明顯的界限，使得內(nèi)部不同密度材料形成不同聲阻抗層，以漸變的方式過渡，將固化后的材料與壓電振動元件粘合，裝配成所需的傳感器，壓電振動元件通過施加電壓，使壓電元件振動，產(chǎn)生超聲波，超聲波通過匹配層的高聲阻抗區(qū)傳輸?shù)降吐曌杩箙^(qū)，再通過低聲阻抗區(qū)將超聲波信號傳輸?shù)娇諝庵?，此過程由壓電高聲阻抗產(chǎn)生的超聲波由匹配層的高聲阻抗區(qū)傳輸?shù)降吐曌杩箙^(qū)，再傳輸?shù)降吐曌杩沟目諝庵?，?dāng)發(fā)出的超聲波反饋時，反饋超聲波信號由匹配層的低阻抗區(qū)，傳輸?shù)礁咦杩箙^(qū)，再通過高阻抗區(qū)傳輸?shù)綁弘娬駝釉瑝弘娬駝釉⒋诵盘杺鬏斀o后續(xù)電路。這種以漸變的方式過渡避免超聲波在傳輸過程中聲阻抗的突變導(dǎo)致能量的衰減，不但有效的解決了使用單層金屬材料，不能制作高頻率傳感器的缺陷，同時也解決了目前現(xiàn)有匹配材料多層粘結(jié)而成梯度材料的工藝所帶來的，多個材料層與多個粘合層阻抗不匹配，超聲波信號能量衰減大問題。提高傳感器的靈敏度。


[0012]圖1為一種現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖；[0013]圖2為另一種現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)不意圖；[0014]圖3為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；[0015]圖4為阻抗曲線圖；[0016]圖5為靈敏度回波圖。
具體實施方式
[0017]如 圖3所示，漸變過渡聲阻抗匹配層，它包括[0018]步驟一、材料的選取，選取填充料、樹脂和偶聯(lián)劑，其中，填充料為填充料密度在 O. 01g/cm3-lg/cm3,抗壓強(qiáng)度在 lMPa_30MP，樹脂比重 L 12g/cm3,粘度 3000-15000mpa. s,偶聯(lián)劑為氨基類硅烷偶聯(lián)劑；[0019]步驟二、材料配比，將步驟一的填充料、樹脂和偶聯(lián)劑進(jìn)行配比，比例為填充料樹脂偶聯(lián)劑=0.5:1:0.015 ；[0020]步驟三、抽真空攪拌，將步驟二中的材料按比例配置好后放入攪拌容器中，將容器置入真空攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，攪拌同時開啟真空泵，抽去混合材料中的空氣，攪拌10分鐘；[0021]步驟四、固化，將步驟四中攪拌均勻的材料放入烘箱中固化，固化采用階梯溫度固化第一階梯段，40°C，4-6小時；第二階梯段，60°C，6-10小時；第三階梯段，80°C，6_10小時；第四階梯段，100°C，12-24小時，然后形成漸變過渡聲阻抗匹配材料。[0022]本發(fā)明根據(jù)原理[0023]材料的聲阻抗Z=p*vP:材料的密度V :材料的聲速[0025]壓電振動元件聲阻抗Z1為30*106kg/(m2S)，作為超聲波輻射介質(zhì)空所的聲阻抗約為400kg/(m2S)，兩種介質(zhì)的聲阻抗差異較大，所以在這兩種介質(zhì)中需要使用一種聲阻抗匹配材料進(jìn)行耦合，能量傳輸。而對于此種材料聲阻抗要求[0026]Zo=VZa * Zb[0027]根據(jù)上式其匹配層材料聲阻抗達(dá)到ll*104kg/(m2s)，在材料尺寸方面，聲波的入/4為最佳傳輸效果。[0028]要同時滿足兩個條件，材料需采用低密度，低聲阻抗不同比重，不同硬度的材料， 使用樹脂真空攪拌混合，階梯溫度固化，使之形成不同材料的結(jié)構(gòu)層，層與層之間沒有明顯的界面，而是漸變的變化，隨結(jié)構(gòu)層的密度漸變，聲速不同，聲阻抗也隨之漸變，最終形成聲阻抗由大到小(或由小到大)分布的漸變形材料。[0029]此工藝方式的優(yōu)點在于，采用階梯溫度固化使樹脂的粘度先由稠變稀，此過程填充材料根據(jù)密度不同形成不同的沉積層，密度小的往上浮，相對密度大的往下沉，層與層之間無明顯的界限，使得內(nèi)部不同密度材料形成不同聲阻抗層，以漸變的方式過渡，將固化后的材料與壓電振動元件粘合，裝配成所需的傳感器，壓電振動元件I通過施加電壓，使壓電元件振動，產(chǎn)生超聲波，匹配層11采用本發(fā)明方法制造而成，超聲波在匹配層11中傳輸?shù)礁呗曌杩箙^(qū)12，再由高聲阻抗區(qū)12傳輸?shù)降吐曌杩箙^(qū)，再通過低聲阻抗13區(qū)將超聲波信號傳輸?shù)娇諝庵?，此過程由壓電高聲阻抗產(chǎn)生的超聲波由匹配層的高聲阻抗區(qū)12傳輸?shù)降吐曌杩箙^(qū)13，再傳輸?shù)降吐曌杩?3的空氣中，當(dāng)發(fā)出的超聲波反饋時，反饋超聲波信號由匹配層11中的低阻抗區(qū)13，傳輸?shù)礁咦杩箙^(qū)12，再通過高阻抗區(qū)12傳輸?shù)綁弘娬駝釉?，壓電振動元件I將此信號傳輸給后續(xù)電路。這種以漸變的方式過渡避免超聲波在傳輸過程中聲阻抗的突變導(dǎo)致能量的衰減，不但有效的解決了使用單層金屬材料，不能制作高頻率傳感器的缺陷，同時也解決了目前現(xiàn)有匹配材料多層粘結(jié)而成梯度材料的工藝所帶來的，多個材料層與多個粘合層阻抗不匹配，超聲波信號能量衰減大問題。提高傳感器的靈敏度。[0030]圖4為阻抗曲線圖，其中表示了相位曲線3和阻抗曲線2，由圖中可以看出該傳感器使用此發(fā)明阻抗匹配后，獲得線性的阻抗曲線，線性度很好，說明聲阻抗匹配效果很好，靈敏度也越高。[0031]圖5:靈敏度回波，給傳感器施加驅(qū)動電壓，傳感器向空氣發(fā)出超聲波，當(dāng)遇到障礙物時反饋波作用于傳感器，當(dāng)為障礙物固定時，反饋波的信號越強(qiáng)，表現(xiàn)為回波電壓越高，此圖表示為反饋波的信號強(qiáng)度，以電壓的形式展現(xiàn)。
權(quán)利要求1.漸變過渡聲阻抗匹配層，它包括低阻抗層與高阻抗層，其中高阻抗層連接壓電振動元件，低阻抗層與高阻抗層一體制造成型。
專利摘要本實用新型屬于傳感器領(lǐng)域，具體是一種漸變過渡聲阻抗匹配層。它包括低阻抗層與高阻抗層，其中高阻抗層連接壓電振動元件，低阻抗層與高阻抗層一體制造成型。本實用新型優(yōu)點在于解決了目前現(xiàn)有匹配材料多層粘結(jié)而成梯度材料的工藝所帶來的，多個材料層與多個粘合層阻抗不匹配，超聲波信號能量衰減大問題。提高傳感器的靈敏度。
文檔編號G10K11/168GK202873061SQ20122036162
公開日2013年4月10日 申請日期2012年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月24日
發(fā)明者鄒東平, 李紅元, 龍亮, 張堯, 倪雪晴 申請人:常州波速傳感器有限公司