同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于超聲波發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種能發(fā)射高強(qiáng)度高指向性超聲波的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元。本發(fā)明由同相位密排超聲波換能器陣列和印刷線路板組成。根據(jù)需要，設(shè)計(jì)不同物理性能和幾何尺寸的超聲波換能器，換能器以密排方式組陣分別插到與密排陣列相配套的印刷線路板上。經(jīng)過(guò)功率放大的超聲波信號(hào)輸入到同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，使其發(fā)出高強(qiáng)度高指向性的超聲波。本發(fā)明不但可用于聲波定向傳播，而且還可以用于超聲波懸浮、測(cè)距、遙控、成像、乳化、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】
同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于超聲波發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單
J L ο
【背景技術(shù)】
[0002]—般用于超聲波發(fā)射的開(kāi)放式換能器，考慮到使用環(huán)境和對(duì)發(fā)射體保護(hù)的需要，在發(fā)射體外部都有由金屬或非金屬材料制成的外殼，外殼的后端與發(fā)射體密封固定，前端設(shè)有保護(hù)網(wǎng)，為了區(qū)分發(fā)射體信號(hào)輸入的正負(fù)極，在發(fā)射體支架與電極連接處以圓形凸臺(tái)代表正電極。但是當(dāng)用多個(gè)(幾只到幾萬(wàn)只)組陣發(fā)射時(shí)，由于外殼的存在以及支撐振動(dòng)體和外殼的圓形基座的直徑較大，使得組陣單元的體積增大，單位面積的超聲波發(fā)射強(qiáng)度降低，方向性減弱。另外組陣換能器正負(fù)極的不統(tǒng)一，也會(huì)使組陣后各個(gè)換能器發(fā)射的超聲波相位不同，導(dǎo)致所發(fā)射的超聲波相互抵消，達(dá)不到組陣后的預(yù)期效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，使組陣單元的體積減少，單位面積的超聲波發(fā)射強(qiáng)度提高，方向性增強(qiáng)。
[0004]本發(fā)明提供的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，由同相位密排超聲波換能器陣列I和印刷線路板2組成。參見(jiàn)圖1所示，其中:
根據(jù)超聲波發(fā)射頻率、強(qiáng)度和指向性的需要，設(shè)計(jì)不同物理性能和幾何尺寸的超聲波換能器，然后把同相位的換能器以密排方式組成超聲波換能器陣列I，各換能器分別插到與密排陣列相配套的印刷線路板上；印刷線路板反面的焊盤把換能器焊接在印刷線路板上，印刷線路把密排陣列超聲波換能器以并聯(lián)方式，或把組成密排陣列超聲波換能器分成幾組，每組換能器并聯(lián)后，各組之間再以串聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái);通過(guò)導(dǎo)線把經(jīng)過(guò)功率放大的超聲波信號(hào)輸入到同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，使其發(fā)出高強(qiáng)度高指向性的超聲波。
[0005]本發(fā)明中，所述的同相位密排超聲波換能器陣列I由單個(gè)無(wú)殼超聲波換能器以密排方式組成，同相位是指組成密排陣列式超聲波發(fā)射單元的所有換能器的相位相同，換能器數(shù)量可為7個(gè)以上，多至數(shù)萬(wàn)個(gè)(如10萬(wàn)個(gè))，組成陣列的平面形狀可以是六邊形、正方形、矩形、橢圓形、三角形等，或上述幾種形狀的組合。
[0006]本發(fā)明中，用于組成密排陣列的單個(gè)無(wú)殼超聲波換能器由喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4、圓形壓電陶瓷片5、聯(lián)接導(dǎo)線6、圓柱形插針7和圓形基座8組成。參見(jiàn)圖2所示。
[0007]本發(fā)明中，喇叭形諧振片3用固化膠粘接在鍍鋅金屬圓板4的一側(cè)，鍍鋅金屬圓板4的另一側(cè)與壓電陶瓷片5的負(fù)極粘結(jié)在一起，喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4、壓電陶瓷片5結(jié)合后組成超聲波換能器的振動(dòng)體，振動(dòng)體的正負(fù)極和圓形壓電陶瓷片5的正負(fù)極相同，其正負(fù)極通過(guò)聯(lián)接導(dǎo)線6分別和兩個(gè)圓柱形插針7聯(lián)接，并在圓形基座8下面的兩根圓柱形插針7附近標(biāo)出對(duì)應(yīng)的正負(fù)極。根據(jù)壓電陶瓷片5的諧振頻率、幾何尺寸，以及喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4的幾何尺寸，確定超聲波換能器的發(fā)射頻率。例如，當(dāng)喇叭形諧振片3 口徑為6mm到10mm，鍍鋅金屬圓板4直徑為8mm到12mm，喇卩八形諧振片3的口徑小于鍍鋅金屬圓板4直徑，壓電陶瓷片5的直徑小于鍍鋅金屬圓板4的直徑的情況下，喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4和壓電陶瓷片5的不同組合，可以形成15KHz到60KHz之間不同發(fā)射頻率的超聲波換能器。
[0008]本發(fā)明中，用于組成同一密排陣列的所有超聲波換能器，頻率相同，相位相同，正負(fù)極一致。
[0009]本發(fā)明中，用于安裝密排陣列超聲波換能器的印刷線路板2的大小根據(jù)密排陣列超聲波換能器的數(shù)量確定，相應(yīng)的厚度是I到3毫米的一種。形狀可以是六邊形、正方形、矩形、橢圓形、三角形等，或上述幾種形狀的組合。
[0010]所述的印刷線路板2，用于安裝同相位密排超聲波換能器陣列I;其正面標(biāo)有圓形絲印圖形10，用于換能器正負(fù)極插入，圓形絲印圖形10的直徑和換能器圓形基座8的直徑相同；每個(gè)圓形絲印圖形10中設(shè)有2個(gè)通孔9，供超聲波換能器的2根圓柱形插針7(即對(duì)應(yīng)的正負(fù)極)插入;印刷線路板2周邊設(shè)有通孔11，用于同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的固定；印刷線路板2的反面設(shè)置印刷線路14，印刷線路14把組成密排陣列超聲波換能器的正負(fù)極以并聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái)，或把組成密排陣列超聲波換能器分成幾組，每組換能器并聯(lián)后，各組之間再以串聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái);反面標(biāo)有正號(hào)的圓形絲印圖形12，與正面的圓形絲印圖形10位置相對(duì)應(yīng)，用于從印刷線路板2的反面確定每個(gè)換能器的位置和正負(fù)極;換能器的圓柱形插針7和印刷線路14焊接;反面還設(shè)有密排陣列式超聲波發(fā)射單元的輸入端，通過(guò)導(dǎo)線把經(jīng)過(guò)功率放大的超聲波信號(hào)輸入到密排陣列式超聲波發(fā)射單元，使其發(fā)出高強(qiáng)度高指向性的超聲波。
[0011]本發(fā)明中，為了適應(yīng)室外使用環(huán)境的需要，延長(zhǎng)同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的使用壽命，對(duì)同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元整體進(jìn)行噴涂或鍍膜處理，其膜應(yīng)為厚度1到30微米的防水絕緣膜。
[0012]本發(fā)明能為聲波定向傳播發(fā)射高強(qiáng)度高指向性的超聲波外，還可為超聲波懸浮、測(cè)距、遙控、成像、乳化、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等發(fā)射高強(qiáng)度高指向性的超聲波。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖示。
[0014]圖2為本發(fā)明中用于組成同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的單個(gè)換能器結(jié)構(gòu)圖不O
[0015]圖3為本發(fā)明中印刷線路板的正面圖示。
[0016]圖4為本發(fā)明中印刷線路板的反面圖示。
[0017]圖中標(biāo)號(hào):I為同相位密排超聲波換能器陣列，2為印刷線路板，3為喇叭形諧振片，4為鍍鋅金屬圓板，5為圓形壓電陶瓷片，6為聯(lián)接導(dǎo)線，7為圓柱形插針，8為圓形基座，9為換能器電極插入通孔，10為印刷線路板正面標(biāo)有正號(hào)的圓形絲印圖形，11為固定同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的通孔，12為印刷線路板反面標(biāo)有正號(hào)的圓形絲印圖形，13為焊接換能器電極的焊盤，14為聯(lián)接換能器正負(fù)極的印刷線路，15為同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元輸入信號(hào)的導(dǎo)線焊盤。
【具體實(shí)施方式】
[0018]根據(jù)不同的使用領(lǐng)域和用途以及安裝環(huán)境和空間位置情況，確定同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的發(fā)射頻率、超聲波強(qiáng)度和指向性，然后確定同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元換能器的數(shù)量，對(duì)于選入同一發(fā)射單元的所有換能器，必須保證其相位一致。再由換能器的數(shù)量和安裝要求確定同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的形狀和大小。根據(jù)所選換能器的幾何尺寸和數(shù)量，設(shè)計(jì)印刷線路板，印刷線路板不但能固定換能器，而且能通過(guò)印刷線路把所有的換能器以并聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái)，或把組成密排陣列超聲波換能器分成幾組，每組換能器并聯(lián)后，各組之間再以串聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái)。并設(shè)計(jì)輸入信號(hào)聯(lián)接點(diǎn)，以保證輸入信號(hào)傳遞到每個(gè)換能器。然后把所有的換能器以密排陣列形式安插在印刷線路板上，再把所有換能器的正負(fù)極和印刷線路的正負(fù)極通過(guò)焊盤焊接。最后對(duì)同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元整體進(jìn)行噴涂或鍍膜處理。固定同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，輸入經(jīng)過(guò)功率放大器放大的確定頻率的超聲波信號(hào)，同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元工作，發(fā)出高強(qiáng)度高指向性的超聲波。該超聲波可用于聲波定向傳播，或用于超聲波懸浮、測(cè)距、遙控、成像、乳化、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等領(lǐng)域。
[0019]具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明提供的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，由同相位密排超聲波換能器陣列I和印刷線路板2組成，參見(jiàn)圖1。
[0020]其中，同相位密排超聲波換能器陣列I由單個(gè)無(wú)殼超聲波換能器(參見(jiàn)圖2)以密排方式組成，同相位是指組成密排陣列式超聲波發(fā)射單元的所有換能器的相位相同，換能器數(shù)量可為7個(gè)以上，多至數(shù)萬(wàn)個(gè)(如7-10萬(wàn)個(gè))，組成陣列的平面形狀可以是六邊形、正方形、矩形、橢圓形、三角形等，或上述幾種形狀的組合。
[0021]其中，單個(gè)無(wú)殼超聲波換能器由喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4、圓形壓電陶瓷片
5、聯(lián)接導(dǎo)線6、圓柱形插針7和圓形基座8組成，參見(jiàn)圖2所示。
[0022]喇叭形諧振片3用固化膠粘接在鍍鋅金屬圓板4的一側(cè)，鍍鋅金屬圓板4的另一側(cè)與壓電陶瓷片5的負(fù)極粘結(jié)在一起，喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4、壓電陶瓷片5結(jié)合后組成超聲波換能器的振動(dòng)體，振動(dòng)體的正負(fù)極和圓形壓電陶瓷片5的正負(fù)極相同，其正負(fù)極通過(guò)聯(lián)接導(dǎo)線6分別和兩個(gè)圓柱形插針7聯(lián)接，并在圓形基座8下面的兩根圓柱形插針7附近標(biāo)出對(duì)應(yīng)的正負(fù)極。根據(jù)壓電陶瓷片5的諧振頻率、幾何尺寸，以及喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4的幾何尺寸，確定超聲波換能器的發(fā)射頻率。例如，當(dāng)喇機(jī)形諧振片3 口徑為6 mm到1mm，鍍鋅金屬圓板4直徑為8mm到12mm，喇卩八形諧振片3的口徑小于鍍鋅金屬圓板4直徑，壓電陶瓷片5的直徑小于鍍鋅金屬圓板4的直徑的情況下，喇叭形諧振片3、鍍鋅金屬圓板4和壓電陶瓷片5的不同組合，可以形成15KHz到60KHz之間不同發(fā)射頻率的超聲波換能器。
[0023]圓形基座8的直徑應(yīng)比鍍鋅金屬圓板4的直徑大I到2毫米，以方便焊接電極和安裝，并保證組陣后振動(dòng)體電極不短路。聯(lián)接導(dǎo)線6是鍍銀銅絲，其直徑為0.18到0.2毫米。
[0024]單個(gè)超聲波換能器的圓形基座8下面，兩根圓柱形插針7的長(zhǎng)度比印刷線路板2的厚度多出I到2個(gè)毫米，圓形基座8下面應(yīng)是一個(gè)平面，兩根圓柱形插針7的周圍沒(méi)有區(qū)分正負(fù)極的凸臺(tái)，以便組陣后規(guī)?；附由a(chǎn)。
[0025]用于組成同一密排陣列的所有超聲波換能器，頻率相同，相位相同，正負(fù)極一致。
[0026]印刷線路板2的大小根據(jù)密排陣列超聲波換能器的數(shù)量確定，相應(yīng)的厚度是I到3毫米的一種。形狀可以是六邊形、正方形、矩形、橢圓形、三角形等，或上述幾種形狀的組合。
[0027]印刷線路板2的正面參見(jiàn)圖3，通孔9的直徑應(yīng)比插入的超聲波換能器的圓柱形插針7的直徑大0.1到0.2毫米，以方便換能器的安裝。標(biāo)有正號(hào)的圓形絲印圖形10方便換能器按統(tǒng)一的正負(fù)極插入，其直徑和換能器圓形基座8的直徑相同。印刷線路板2周邊的通孔11方便同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的固定，通孔11的數(shù)量和孔徑根據(jù)密排陣列式超聲波發(fā)射單元的大小和形狀確定。
[0028]印刷線路板2的反面參見(jiàn)圖4。標(biāo)有正號(hào)的圓形絲印圖形12和圖3的圓形絲印圖形10相對(duì)應(yīng)，方便從印刷線路板2的反面確定每個(gè)換能器的位置和正負(fù)極。焊盤13方便把換能器的圓柱形插針7和印刷線路14焊接在一起。印刷線路14把組成密排陣列超聲波換能器的正負(fù)極以并聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái)，或把組成密排陣列超聲波換能器分成幾組，每組換能器并聯(lián)后，各組之間再以串聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái)。焊盤15為密排陣列式超聲波發(fā)射單元的輸入端，通過(guò)導(dǎo)線把經(jīng)過(guò)功率放大的超聲波信號(hào)輸入到密排陣列式超聲波發(fā)射單元，使其發(fā)出高強(qiáng)度高指向性的超聲波。
[0029]為了適應(yīng)室外使用環(huán)境的需要，延長(zhǎng)同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的使用壽命，對(duì)同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元整體進(jìn)行噴涂或鍍膜處理，其膜應(yīng)為厚度10到30微米的防水絕緣膜。
[0030]本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，其他在不違背本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)的前提下所作的任何形式的簡(jiǎn)單修改、等同變化，均包含在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于由同相位密排超聲波換能器陣列和印刷線路板組成;其中: 根據(jù)超聲波發(fā)射頻率、強(qiáng)度和指向性的需要，設(shè)計(jì)不同物理性能和幾何尺寸的超聲波換能器，然后由同相位的換能器以密排方式組成超聲波換能器陣列，各換能器分別插到與密排陣列相配套的印刷線路板上；印刷線路板反面的焊盤把換能器焊接在印刷線路板上，印刷線路把密排陣列超聲波換能器以并聯(lián)方式，或把組成密排陣列超聲波換能器分成幾組，每組換能器并聯(lián)后，各組之間再以串聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái);通過(guò)導(dǎo)線把經(jīng)過(guò)功率放大的超聲波信號(hào)輸入到同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，使其發(fā)出高強(qiáng)度高指向性的超聲波。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于，所述的同相位密排超聲波換能器陣列由單個(gè)無(wú)殼超聲波換能器以密排方式組成，同相位是指組成密排陣列式超聲波發(fā)射單元的所有換能器的相位相同，換能器數(shù)量為7個(gè)以上，組成陣列的平面形狀是六邊形、正方形、矩形、橢圓形或三角形，或上述幾種形狀的組合。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于，用于組成密排陣列的單個(gè)無(wú)殼超聲波換能器由喇叭形諧振片、鍍鋅金屬圓板、圓形壓電陶瓷片、聯(lián)接導(dǎo)線、圓柱形插針和圓形基座組成;其中: 喇叭形諧振片用固化膠粘接在鍍鋅金屬圓板的一側(cè)，鍍鋅金屬圓板的另一側(cè)與壓電陶瓷片的負(fù)極粘結(jié)在一起，喇叭形諧振片、鍍鋅金屬圓板、壓電陶瓷片結(jié)合后組成超聲波換能器的振動(dòng)體，振動(dòng)體的正負(fù)極和圓形壓電陶瓷片的正負(fù)極相同，其正負(fù)極通過(guò)聯(lián)接導(dǎo)線分別和兩個(gè)圓柱形插針聯(lián)接，并在圓形基座下面的兩根圓柱形插針附近標(biāo)出對(duì)應(yīng)的正負(fù)極。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于，根據(jù)壓電陶瓷片的諧振頻率、幾何尺寸，以及喇叭形諧振片、鍍鋅金屬圓板的幾何尺寸，確定超聲波換能器的發(fā)射頻率；當(dāng)喇機(jī)形諧振片口徑為6mm到1mm，鍍鋅金屬圓板直徑為8mm到12mm，喇口八形諧振片的口徑小于鍍鋅金屬圓板直徑，壓電陶瓷片的直徑小于鍍鋅金屬圓板的直徑的情況下，喇叭形諧振片、鍍鋅金屬圓板和壓電陶瓷片的不同組合，形成15KHz到60KHz之間不同發(fā)射頻率的超聲波換能器。5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4所述的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于，用于組成同一密排陣列的所有超聲波換能器，頻率相同，相位相同，正負(fù)極一致。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于，所述的印刷線路板的大小根據(jù)密排陣列超聲波換能器的數(shù)量確定，相應(yīng)的厚度是I到3毫米的一種;形狀是六邊形、正方形、矩形、橢圓形或三角形，或上述幾種形狀的組合。7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、4或6所述的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于，所述的印刷線路板，其正面標(biāo)有圓形絲印圖形，用于換能器正負(fù)極插入，圓形絲印圖形的直徑和換能器圓形基座的直徑相同；每個(gè)圓形絲印圖形中設(shè)有2個(gè)通孔，供超聲波換能器的2根圓柱形插針即對(duì)應(yīng)的正負(fù)極插入；印刷線路板周邊設(shè)有通孔，用于同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元的固定；印刷線路板的反面設(shè)置印刷線路，印刷線路把組成密排陣列超聲波換能器的正負(fù)極以并聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái)，或把組成密排陣列超聲波換能器分成幾組，每組換能器并聯(lián)后，各組之間再以串聯(lián)方式聯(lián)接起來(lái);反面標(biāo)有正號(hào)的圓形絲印圖形，與正面的圓形絲印圖形位置相對(duì)應(yīng)，用于從印刷線路板的反面確定每個(gè)換能器的位置和正負(fù)極;換能器的圓柱形插針和印刷線路焊接;反面還設(shè)有密排陣列式超聲波發(fā)射單元的輸入端，通過(guò)導(dǎo)線把經(jīng)過(guò)功率放大的超聲波信號(hào)輸入到密排陣列式超聲波發(fā)射單元，使其發(fā)出高強(qiáng)度高指向性的超聲波。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元，其特征在于，對(duì)同相位密排陣列式超聲波發(fā)射單元整體進(jìn)行噴涂或鍍膜處理，其膜為厚度10到30微米的防水絕緣膜。
【文檔編號(hào)】B06B1/06GK106076794SQ201610709579
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年8月24日
【發(fā)明人】馬建敏
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)