一種新型石墨烯超聲波探頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種新型石墨烯超聲波探頭，包括接插件、外殼、背襯層、引線、壓電層、隔離層、匹配層；所述壓電層被隔離層分成接收超聲波壓電層和發射超聲波壓電層，所述背襯層位于壓電層頂表面，所述的匹配層位于壓電層底表面；所述壓電層的壓電晶片以二維矩陣的形式布置。本實用新型石墨烯超聲波探頭結構合理，作為超聲波探頭最重要元件的壓電體通過使用新型壓電材料氮化石墨烯，探頭可在溫度500℃條件下使用，相比普通高溫探頭在300℃高溫只能工作0.5h，本實用新型的探頭可在300℃高溫下工作2h，探頭的使用壽命也得到延長。
【專利說明】
一種新型石墨烯超聲波探頭
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種新型石墨烯超聲波探頭。
【背景技術】
[0002]隨著工業技術的不斷發展進步，產品的質量越來越受到人們重視，相應的對產品質量檢測手段的要求也越來越高。超聲波檢測技術作為常規的五大無損檢測技術之一，是利用超聲波在介質中的傳播性質對材料或構件中的缺陷和異常進行檢測，由于超聲波的穿透能力強、對材料和人體無害、使用方便等特點，被廣泛應用于材料、機械、石油化工、宇航、能源等領域。超聲波探頭作為產生與接收超聲波的元器件，是組成超聲檢測系統的重要組件之一，按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中以壓電式最為常用。壓電式超聲波探頭原理是利用壓電材料的壓電效應來工作的。逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動，從而產生超聲波，可作為發射探頭；正壓電效應將超聲振動波轉換成電信號，可作為接收探頭。超聲波探頭的性能直接影響發射超聲波的特性，影響超聲波的檢測能力和缺陷檢測的準確性，因此，對超聲波探頭的設計與制作對于超聲波檢測的可靠性至關重要。
[0003]目前，國內外壓電式超聲波探頭常用的材料為壓電晶體和壓電陶瓷，但是由于壓電陶瓷硬且脆，通常粘在某種金屬片上一起構成壓電振子，并且脆性大、與本體材料相容性差，易在分界面處造成損傷和斷裂。壓電晶體中應用最廣泛最具代表性的屬石英晶體，但是石英晶體壓電常數較低，應用范圍被限制，居里溫度雖然為573°C，但是只能在350°C以下使用，當溫度高于350°C時，孿晶的產生將使得石英晶體的壓電性能急劇惡化。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型的目的旨在提供一種能夠在高溫條件下使用，且使用壽命長的新型超聲波探頭。該超聲波探頭以氮化石墨烯(g_C3N4)作為壓電層材料，可在較高的溫度環境下使用，由于氮化石墨烯的柔韌性好、強度高且穩定，因此壓電體不易損壞，延長了探頭的使用壽命;氮化石墨烯作為目前最薄的壓電材料，在壓電晶片材料厚度與超聲波頻率的乘積為常數的條件下，壓電晶片厚度越小，可發出或接收的超聲波頻率就高，因此，可制作出高頻超聲波探頭。
[0005]本實用新型的技術方案如下:
[0006]—種新型石墨烯超聲波探頭，包括接插件、外殼、背襯層、引線、壓電層、隔離層、匹配層;所述壓電層被隔離層分成接收超聲波壓電層和發射超聲波壓電層，所述背襯層位于壓電層頂表面，所述的匹配層位于壓電層底表面;所述壓電層的壓電晶片以二維矩陣的形式布置。
[0007]所述壓電晶片為氣化石墨稀壓電晶片。
[0008]本實用新型所述石墨烯超聲波探頭為雙晶直探頭。
[0009]氮化石墨烯(g-C3N4)采用半封閉法熱解前驅體，通過其自身的縮聚過程制備。所述前驅體主要有雙氰氨、三聚氰胺或尿素等含氮物質。氮化石墨烯的制備可以參照“王濤等，層狀石墨相g-C3N4氮化碳的簡易制備和表征[J]，材料導報，2012，26(S1): 36-38”。氮化石墨烯(g_C3N4)加工成一定尺寸的氮化石墨烯壓電晶片后以二維矩陣形式布置得到壓電層。匹配層主要作用為提高探頭靈敏度，減少信號失真，實現聲阻抗過渡或匹配。所述匹配層由聚合物和固體顆粒組成的復合材料填充而成，可以調節復合材料中各組分的比例來調節匹配層的聲阻抗。其中作為基體的聚合物采用有機硅樹脂或環氧樹脂等材料，固體顆粒采用鎢粉作為填料，鎢粉占復合材料的總體積的5%?25%;優選的，匹配層由環氧樹脂和鎢粉組成的復合材料填充，鎢粉占復合材料的總體積的15%;可根據待檢查對象的需要調節鎢粉體積分數，使得匹配材料與待檢查對象的聲阻抗差達到最小。當鎢粉體積分數從O增加到15 %時，聲阻抗從3.0651?^^1增加到5.609MRayl ；對鎢粉進行120 °C高溫退火處理后，阻抗值達到6.693MRayl，能夠很好滿足高頻超聲波探頭的要求。
[0010]所述背襯層包括板狀石墨烯支撐框架，板狀石墨烯框架設有多行與壓電層平行、用于填充背襯材料的方形框，在板狀石墨烯支撐框架的方形框中填充背襯材料。
[0011]優選的，處于同一行的方形框等間距排列，且相鄰兩行的方形框呈對應空位的交錯排列。
[0012]所述背襯材料采用與壓電層聲阻抗相近的材料，背襯材料是由鎢粉和熱塑性樹脂組成的復合材料，其中鎢粉占復合材料的體積百分比為50%?80%。優選的，所述背襯材料是由鎢粉和熱塑性樹脂按照體積比4:1組成的復合材料。背襯層主要作用為吸收多余的聲波，同時，背襯層還可以吸收壓電振子諧振產生的反方向聲波，使得壓電層在實際應用中有較好的發射響應及接收靈敏度，并在一定程度上拓寬壓電層的帶寬。所述背襯層可以為多層，以改善超聲波的衰減或阻擋效應。背襯材料可以使得在壓電層中產生并向超聲波探頭后方傳播的超聲波和從待檢查對象反射并接收的超聲波衰減，防止這些超聲波向超聲波探頭后方傳播。
[0013]所述板狀石墨烯框架可以通過對石墨烯執行背面研磨工藝、切割工藝或蝕刻工藝來制備。其中，背面研磨工藝是在該工藝中，去除在晶圓后表面不必要的膜并剔除具有比所需厚度大的晶圓的后表面以減小電阻并改善熱傳導率。切割工藝是使用金剛石刀片是高速旋轉的主軸進行切割的工藝。蝕刻工藝是去除沒有被光致抗蝕劑覆蓋的氧化層的工藝
[0014]所述隔離層為吸收聲波性能好、絕緣性能好的薄片，使得超聲波的發射和接收互不干擾。具體的，所述的隔離層可以選擇孔眼均勻、密度小的微孔橡膠。
[0015]本實用新型的有益效果:
[0016]本實用新型石墨烯超聲波探頭結構合理，作為超聲波探頭最重要元件的壓電體通過使用新型壓電材料氮化石墨烯(g_C3N4)，利用其超薄、柔韌、高強度、耐高溫、穩定的特性，探頭可在溫度500°C條件下使用，而普通陶瓷作壓電晶體的探頭在溫度350°C時其壓電性能便會急劇惡化，并且由于氮化石墨烯(g_C3N4)的柔韌、高強度且物理和化學性質穩定；同時，該探頭背襯層采用石墨烯板框架、以及特定的方形框排布方式、并填充金屬粉末和熱塑性樹脂，有助于在探頭使用時的散熱。相比普通高溫探頭在300°C高溫只能工作0.5h，本實用新型的探頭可在300°C高溫下工作2h，探頭的使用壽命也得到延長。
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型石墨烯超聲波探頭的結構示意圖。
[0018]圖2是圖1石墨烯超聲波探頭內的聲學模塊的A-A向剖視圖。
[0019]圖3是本實用新型石墨烯超聲波探頭的壓電晶片以二維陣列形式布置的壓電層布置示意圖。
[0020]圖4是實施例2的石墨烯超聲波探頭的背襯層中方形框的布置示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型的技術方案作進一步的說明。
[0022]實施例1
[0023]如圖1所示，一種新型石墨烯超聲波探頭，該石墨烯超聲波探頭為雙晶直探頭，包括接插件1、外殼2、背襯層3、引線4、壓電層5、隔離層6、匹配層7;其中壓電層5被隔離層6分割成兩部分，一部分為發射超聲波晶片，另一部分為接收超聲波晶片；隔離層6采用吸聲性能強、絕緣性能好的薄片加以隔離使得超聲波的發射和接收互不干擾，本實施例中隔離層6選擇孔眼均勻、密度小的微孔橡膠。
[0024]如圖2所示，主要由壓電層5、設置在壓電層5底表面上的匹配層7以及設置在壓電層5頂表面的背襯層3構成了石墨烯超聲波探頭的聲學模塊9。聲學模塊9是利用壓電材料的壓電效應，如果對壓電材料施加機械壓力則其會產生電壓，相反，如果對壓電材料施加電壓則會產生機械形變，這種效應被稱作壓電效應和逆壓電效應。壓電材料是超聲波探頭將機械能轉換成電能或者將電能轉換成機械能的材料。
[0025]如圖3所示，壓電層5中的壓電晶片以二維陣列結構布置，可以根據待檢查的對象和超聲波探頭的目的以及其他原因改變壓電層的厚度及壓電晶片的數量。在所述壓電層5的壓電晶片陣列間隙插入電感電容類回路組件，使壓電層成為電子模塊，從每個電感電容組件中引出引線4。
[0026]壓電晶片的材料為氮化石墨烯(g-C3N4)。氮化石墨烯采用半封閉法熱解前驅體，通過其自身的縮聚過程制備。所述前驅體主要有雙氰氨、三聚氰胺或尿素等含氮物質。氮化石墨烯是一種層狀的碳氮化合物，具有與石墨類似的晶體結構，具有很好的熱穩定性、化學穩定性。
[0027]所述壓電層5可以由單層結構或多層堆疊結構布置，其中堆疊結構的壓電層5可以更容易調節聲阻抗與電壓，從而獲得較高的靈敏度、良好的能量轉換效率以及柔和的頻譜。
[0028]所述匹配層7設置在壓電層5的底表面上，匹配層可以使得壓電層5和工作介質之間實現聲學匹配，使得壓電層5能量利用率得到大幅提升，另一方面又能保護壓電層5，避免其在工作環境中受到破壞或污染。匹配層能夠提高壓電層5的靈敏度，使其失真降低。匹配層7可以為單層或多層結構。為此，可以將匹配層7的聲阻抗設置為壓電層5的聲阻抗和工作介質的聲阻抗之間的中間值。所述匹配層7可以由聚合物和固體顆粒組成的復合材料填充。可以調節復合材料中各組分的比例來調節匹配層的聲阻抗。其中作為基體的聚合物采用有機硅樹脂或環氧樹脂等材料，固體顆粒采用鎢粉作為填料來制備匹配層，鎢粉體積分數越大，聲阻抗越大。其中鎢粉體積分數在5 %?25 %之間，可根據待檢查對象的需要調節鎢粉體積分數，使得匹配材料與待檢查對象的聲阻抗差達到最小。當鎢粉體積分數從O增加到15 %時，聲阻抗從3.065MRayl增加到5.609MRayl ；對鎢粉進行120°C高溫退火處理后，阻抗值達到6.693MRayl，能夠很好滿足高頻超聲波探頭的要求。本實施例中匹配層由環氧樹脂和鎢粉組成的復合材料填充，鎢粉占復合材料的總體積的15%。
[0029]所述背襯層3設置在壓電層5的頂表面上，背襯層3主要作用為吸收多余的聲波，同時，背襯層還可以吸收壓電振子諧振產生的反方向聲波，使得壓電層5在實際應用中有較好的發射響應及接收靈敏度，并在一定程度上拓寬壓電層5的帶寬。所述背襯層3可以為多層，以改善超聲波的衰減或阻擋效應。
[0030]所述背襯層3包括板狀石墨烯支撐框架10，板狀石墨烯框架10設有多行與壓電層5平行、用于填充背襯材料的方形框11，處于同一行的方形框11等間距排列，且相鄰兩行的方形框11呈對應空位的交錯排列；在板狀石墨烯支撐框架1的方形框11中填充背襯材料。板狀石墨烯支撐框架10可以吸收壓電層5由于產生超聲波或者其他原因而產生的熱，并可以將產生的熱向背襯層3的后方傳遞而使熱量消散。在壓電層5產生的熱可以通過板狀石墨烯支撐框架10進行傳遞，由于石墨烯具有較大的比表面積，隨著時間流逝，吸收的熱可以較快的消散，從而減少背襯層中的熱量，有助于超聲波探頭內部的熱量的消散。
[0031]背襯材料采用與壓電層聲阻抗相近的材料，背襯材料是由鎢粉和熱塑性樹脂組成的復合材料，其中鎢粉占復合材料的體積百分比為50%?80%。本實施例中背襯材料是由鎢粉和熱塑性樹脂按照體積比4:1組成的復合材料。背襯材料可以使得在壓電層5中產生并向超聲波探頭后方傳播的超聲波和從待檢查對象反射并接收的超聲波衰減，防止這些超聲波向超聲波探頭后方傳播。用于表示背襯材料的變量為聲阻抗。聲阻抗可以用等式:Z=(Pc)1/2 = Pv計算，等式中Z為聲阻抗，P為背襯材料的密度，c為背襯材料的彈性，V為聲速。聲阻抗的單位為[kg/m2s]并可以被稱作瑞利(Rayl)。根據等式，聲阻抗與材料密度成正比，在聲速基本不變的情況下，提高復合材料鎢粉的體積比，即可提高材料密度。背襯材料阻抗越高，其超聲波發射信號的脈沖短，頻帶寬，分辨率越高。當鎢粉的體積百分比從50%提高到80%，聲阻抗率由1XlO6Pa.s/m提高到24 X 16Pa.s/m，在5MHZ時的聲衰減系數提高到70dB/cm，使得超聲波探頭的背向雜波微弱，不會干擾正常的檢測信號。
[0032]實施例2
[0033]如圖4所示，同行、同列方形框等間距排列，改變背襯層3板狀石墨烯支撐框架10中方形框的設置方式，其他設置同實施例1。
[0034]把實施例1和實施例2中背襯層分別應用于制作中心頻率為2.8MHz的探頭中，采用偏鈮酸鉛壓電陶瓷片，背襯層和陶瓷片之間用環氧樹脂黏結，在SIU1-UTS超聲性能測試系統中測試探頭的聲學性能，測試結果得出，實施例1中-20dB脈沖寬度只有771.3ns，而實施例2在-20dB脈沖寬度為1080.1ns;相比于實施例2，實施例1的超聲波探頭吸收超聲波的效率增加約40%，探測時分辨率明顯提高。
[0035]考察實施例1和實施例2的背襯層的導熱系數，實施例1中由石墨烯板框架構成的背襯層的導熱系數約為15.6W/m.K，而實施例2中布置方式的背襯層導熱系數約為9.7W/m.K，且在300°C時測試結果開始有波動，分辨率明顯降低。說明超聲波探頭的背襯層采用石墨烯板框架、以及特定結構的方形框布置方式、并填充金屬粉末和熱塑性樹脂粉末，使用時有助于探頭散熱，在壓電層中產生的熱能夠通過高導熱率的背襯層可有效、快速散去。實施例I的超聲波探頭可在500°C高溫條件下使用，在300°C高溫下可連續工作2h。相比普通高溫探頭，其使用壽命得到延長。
[0036]如果更換實施例1中方形框中背襯材料，改成常規的背襯材料，即由鎢粉和硅橡膠按照體積比4:1組成的復合材料，則該普通探頭的背襯層導熱系數約為0.7W/m.K。
【主權項】
1.一種石墨烯超聲波探頭，包括接插件(1)、外殼(2)、背襯層(3)、引線(4)、壓電層(5)、隔離層(6)、匹配層(7)，其特征在于所述壓電層(5)被隔離層(6)分成接收超聲波壓電層和發射超聲波壓電層，所述背襯層(3)位于壓電層(5)的頂表面，所述的匹配層(7)位于壓電層的底表面;所述壓電層(5)中的壓電晶片以二維矩陣的形式布置。2.根據權利要求1所述的石墨烯超聲波探頭，其特征在于所述壓電晶片為氮化石墨烯壓電晶片。3.根據權利要求1所述的石墨烯超聲波探頭，其特征在于所述背襯層(3)包括板狀石墨烯支撐框架(10)，板狀石墨烯框架(10)設有多行與壓電層(5)平行、用于填充背襯材料的方形框(11)，在方形框(11)中填充背襯材料。4.根據權利要求3所述的石墨烯超聲波探頭，其特征在于處于同一行的方形框(11)等間距排列，且相鄰兩行的方形框(11)呈對應空位的交錯排列。5.根據權利要求1所述的石墨烯超聲波探頭，其特征在于所述隔離層為微孔橡膠。
【文檔編號】H01L41/08GK205564818SQ201620317347
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月15日
【發明人】錢夏夷, 王寧, 王一寧, 鄭楊艷
【申請人】江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院