阅读说明：本技术 一种叉指换能器阵列及制作方法 (A kind of interdigital transducer array and production method ) 是由 王自平 钱磊 徐晨光 费跃 陈良彬 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种叉指换能器阵列及制作方法,叉指换能器阵列包括聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元；聚偏氟乙烯基底为圆盘形,多个梯形叉指电极阵元以聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在聚偏氟乙烯基底的表面；梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极,梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极；各梯形叉指电极阵元中的多个正电极和多个负电极交替间隔排列；各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个正极外接端,各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个负极外接端。本发明具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的优点,提高了损伤检测效率。(The invention discloses a kind of interdigital transducer array and production method, interdigital transducer array includes Kynoar substrate and N number of trapezoidal interdigital electrode array element；Kynoar substrate is disc, and multiple trapezoidal interdigital electrode array elements are distributed uniformly and circumferentially on the surface of Kynoar substrate centered on the center of circle of Kynoar substrate；The positive interdigital electrode of trapezoidal interdigital electrode array element includes positive external connection end and multiple positive electrodes being spaced apart from each other, and the cathode interdigital electrode of trapezoidal interdigital electrode array element includes cathode external connection end and multiple negative electrodes being spaced apart from each other；Multiple positive electrodes and the arrangement of multiple negative electrode alternate intervals in each trapezoidal interdigital electrode array element；Each two adjacent trapezoidal interdigital electrode array elements share a positive external connection end, and each two adjacent trapezoidal interdigital electrode array elements share a cathode external connection end.The present invention has the advantages that broadband, low-loss, multi-faceted transmitting and receives, and improves damage check efficiency.)

一种叉指换能器阵列及制作方法

技术领域

本发明涉及叉指换能器技术领域，特别是涉及一种叉指换能器阵列及制作方法。

背景技术

在适用于大面积板结构健康监测(Structural Health Monitoring,SHM)的方法和相关技术中，诸多先进的信号处理方法依然存在人为干扰因素较大、应用范围狭窄等诸多不足。电声转换的换能器件因其特有的传递结构安全信息的功能已逐渐成为SHM系统中的关键组成部分。既有的结构健康监测系统始终具有更进一步提高其检测灵敏度和精度的需求，探索可用于大面积复合材料的具有多方位发射和接收、宽频且模态可选择功能的柔性叉指式导波换能器可为实现实时快速SHM解决关键性的技术障碍。

现有基于超声导波的SHM系统常采用嵌入式或粘贴的超声换能器单元构建具有一定空间分布形式的驱动/传感阵列或稀疏分布的传感网络，可用于克服大面积板或者复合材料结构中阻抗衰减和信号响应低等问题。稀疏分布传感网络根据传感单元间导波信号的渡越时间信息实施对结构局部损伤检测，其损伤成像定位精度极大地依赖于稀疏传感器的布阵方案。

就换能器的构造设计而言，叉指式换能器(Interdigital Transducer,IDT)的叉指结构是用于SHM系统中产生定向导波的最基本形式，然而，现有技术中的IDT设计中仍存在着诸多不足，如具较窄的频带宽和单一的方向性等，为适应更小的损伤检测尺度，需要巧妙的换能器结构设计以提高带宽，以实现多方位的驱动和传感。

叉指换能器最早是由Hyodo等人在1968年作为建筑块设计方法延伸提出来的。之后在1973年，Daniel和de Klerk比较了梯形叉指换能器和调频脉冲的优点和变迹通带的滤波器结构，这表明了叉指换能器可以用于带通应用程序。从1982年至1987年，Campbell描述了设计宽频带线性相位滤波器的详细步骤，并通过在yz-铌酸锂上的70MHz 50％带宽滤波器进行实验，有效抑制了>35db的旁瓣，同时频率响应得到了提升。

综合IDT应用的发展来看，现有的矩形IDT已经成熟应用于声表面波器件并且得到了很大的发展，而且矩形IDT也开始逐渐应用于损伤检测之中，其在中心频率下频响最大，所以一般设计其中心频率为激励频率。随着结构健康监测的发展，工程结构越来越复杂，要求IDT损耗也越来越低，性能在不断提高。现有的矩形IDT的线宽窄，不能满足越来越高频率的重复应力作用和越来越大的功率，所以研究宽频带、低损耗、高性能的IDT对于结构健康监测至关重要。然而，针对梯形叉指换能器，却主要是用于进行滤波器的设计，将其应用于损伤检测还不成熟。因为就换能器的构造设计而言，叉指式换能器的叉指结构是用于SHM系统中产生定向导波的最基本形式，然而，现有技术中的IDT设计中仍存在着诸多不足，如具较窄的频带宽和单一的方向性等。

发明内容

本发明的目的是提供一种叉指换能器阵列及制作方法，具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的优点，提高了损伤检测效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种叉指换能器阵列，其特征在于，所述叉指换能器阵列包括：聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元，N为大于3的整数；所述聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个所述梯形叉指电极阵元以所述聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；

所述梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，多个所述正电极的一端均与所述正极外接端连接，多个所述正电极共面，所述梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极，多个所述负电极的一端均与所述负极外接端连接，多个所述负电极共面；各所述梯形叉指电极阵元中的多个所述正电极和多个所述负电极交替间隔排列；

各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端。

可选的，所述梯形叉指电极阵元中所述正电极的宽度和所述负电极的宽度从所述正极外接端到所述负极外接端逐渐变小。

可选的，所述梯形叉指电极阵元由金粉制成。

可选的，所述聚偏氟乙烯基底厚度为0.3mm。

本发明还提供了一种叉指换能器制作方法，其特征在于，所述方法包括：

将聚偏氟乙烯材料沿厚度方向进行极化，得到聚偏氟乙烯基底，所述聚偏氟乙烯基底为圆盘形；

以所述聚偏氟乙烯基底为底面，在所述底面上设计N个梯形叉指电极阵元的图形，N为大于3的整数，多个所述梯形叉指电极阵元以所述底面的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述底面的表面；所述梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，多个所述正电极的一端均与所述正极外接端连接，多个所述正电极共面，所述梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极，多个所述负电极的一端均与所述负极外接端连接，多个所述负电极共面；各所述梯形叉指电极阵元中的多个所述正电极和多个所述负电极交替间隔排列；各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端；

采用喷金工艺，根据所述设计的N个梯形叉指电极阵元图形，将N个梯形叉指电极阵元沉积在所述聚偏氟乙烯基底的表面上，得到聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列；

采用聚合物保护层对所述聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列进行封装。

可选的，所述梯形叉指电极阵元中所述正电极的宽度和所述负电极的宽度从所述正极外接端到所述负极外接端逐渐变小。

可选的，所述梯形叉指电极阵元由金粉制成。

可选的，所述聚偏氟乙烯基底厚度为0.3mm。

根据本发明提供的发明内容，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种叉指换能器阵列及制作方法，包括：聚偏氟乙烯基底和N个梯形叉指电极阵元，聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个梯形叉指电极阵元以所述聚偏氟乙烯基底的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述聚偏氟乙烯基底的表面；各梯形叉指电极阵元中的多个正电极和多个负电极交替间隔排列；各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端，具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的特点，能够检测不同结构的材料，提高了损伤检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例叉指换能器阵列结构示意图；

图2为本发明实施例叉指换能器阵列中单个梯形叉指电极阵元结构示意图；

图3为本发明实施例铝板相速度频散曲线和IDT电极设计原理图；

图4为本发明实施例不同电极宽度梯形叉指换能器随基底厚度变化的单位电压应变变化图；

图5为本发明实施例叉指换能器阵列的频率响应图；

图6为本发明实施例传统IDT频率响应图；

图7为本发明实施例IDT与PZT激励产生Lamb波的位移幅值响应图；

图8为本发明实施例叉指换能器制作方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种叉指换能器阵列及制作方法，具有宽频带、低损耗、多方位发射和接收的优点，提高了损伤检测效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明公开了一种叉指换能器阵列，图1为本发明实施例叉指换能器阵列结构示意图，图2为本发明实施例叉指换能器阵列中单个梯形叉指电极阵元结构示意图，如图1-2所示，叉指换能器阵列包括：聚偏氟乙烯{Poly(vinylidene fluoride)PVDF}基底1和N个梯形叉指电极阵元，N为大于3的整数；聚偏氟乙烯基底为圆盘形，多个梯形叉指电极阵元以聚偏氟乙烯基底1的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在聚偏氟乙烯基底1的表面；聚偏氟乙烯基底1为聚偏氟乙烯压电薄膜基底，梯形叉指电极阵元由金粉制成，聚偏氟乙烯基底1具有良好的柔性，使得本发明叉指换能器阵列适应不规则复杂结构的表面，甚至直接嵌入宿主结构进行损伤检测。同时，本发明实施的聚偏氟乙烯基底1具有高弹性密度、超短反应时间、高机电耦合效率、轻质量等优良特性，采用聚偏氟乙烯压电薄膜作为基底，用于结构检测灵敏度提高，且在极化方向上的能量增强，有利于提高损伤检测率。

梯形叉指电极阵元的正极叉指电极2包括正极外接端和4个相互间隔的正电极，4个正电极的一端均与正极外接端连接，4个正电极共面，梯形叉指电极阵元的负极叉指电极3包括负极外接端和4个相互间隔的负电极，4个负电极的一端均与负极外接端连接，4个负电极共面；4个正电极和4个负电极均为带有宽度的圆弧形；各梯形叉指电极阵元中的4个正电极和4个负电极交替间隔排列；各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个正极外接端，各相邻的两个梯形叉指电极阵元共用一个负极外接端。各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元的正极外接端或负极外接端所在直线相交于所述聚偏氟乙烯基底1的中心，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元关于正极外接端或负极外接端相对称。

本实施例中，为保证电极加工精度，正极叉指电极2的正电极的最小宽度为和最大宽度为分别为0.25mm和0.5mm，负极叉指电极3的负电极的最小宽度为和最大宽度为0.25mm和0.5mm，梯形叉指电极阵元中正电极的宽度和负电极的宽度从正极外接端到负极外接端逐渐变小，如图2所示，相邻两个正电极和负电极之间的间距d′，也称为电极间距d′，从正极外接端到负极外接端逐渐变小，最大间距d′和最小间距d′分别为0.5mm和0.25mm。电极间距的变化导致了频率的变化，使频带宽具有可设计性，从而实现了IDT宽频带的特性，进而实现导波模态选择，用于导波激励和接收时，无需根据结构材料变化而更换检测换能器，从而提高工程结构损伤检测中有效信号的识别率。

图3为铝板相速度频散曲线和IDT电极设计原理图，如图3所示，Lamb波即兰姆波具有多模态、频散的特性，而在实际无损检测当中，需要的是单模态，这样才能提高精度，因此铝板中设计的频厚积不要超过A₁的截止频率。图3中对称模式包括曲线S₀，曲线S₁和曲线S₂，反对称模式包括曲线A₀，曲线A₁和曲线A₂，任何Lamb模式的波长λ由下式给出：其中c_p是相速度，f是频率，则也可以写成d为板厚，则常数λ/d的轨迹是通过相速度色散曲线上的经过原点的直线。如图3所示，针对该波长设计的IDT与不同模式的色散曲线相交的点是可以用来设计为激发模式的点。λ/d＝1,2,3,4,5分别对应与A₀曲线相交于不同的点，在λ＝5时，对应于横坐标的频厚积为0.3MHz-mm；在λ＝1时，对应于横坐标的频厚积为2.8MHz-mm。假设铝板厚度为1mm，则λ＝1对应于的频率为0.3MHz，λ＝5对应的频率为2.8MHz。在IDT中，为使得叠加效应最好，叉指电极一个周期长度等于一个波长λ，即一对叉指电极(一对叉指电极指相邻的一个正电极和一个负电极)的宽度等于波长λ，故单个电极宽度＝1/2电极间距＝λ/4。此时λ＝1,2,3,4,5mm对应于均匀IDT的电极宽度为0.25mm，0.5mm，0.75mm，1mm，1.25mm。因此，在本实施例中，选择负极叉指电极3中负电极最小宽度与正电极与负电极间隔最小间距均为0.25mm。

通过COMSOL Multiphysics软件对电极尺寸进行优化设计计算，计算结果如图4所示。图中，正方形图标表示的0.25mm代表的是电极宽度和电极间距均为0.25mm的矩形IDT，横坐标表示的基底的厚度从0.1mm-0.6mm。从图4中可以看出，在PVDF基底中，矩形IDT在单位电压下应变值相对于其他梯形叉指换能器的值依然较大。在梯形叉指换能器中，都是一开始随着基底厚度的增加，单位电压应变值都会随着增加，当到达一个最大值时开始下降，并会趋于一个稳定的趋势。并且，在同一基底厚度的情况，底端正电极尺寸a的数值越小，单位电压应变值越大。故在本发明中，当左端最大正电极宽度a＝0.5mm，基底厚度h＝0.3mm时单位电压应变值最大。

如图5所示，是本发明叉指换能器阵列的频率响应图。频带宽可以由公式来表示：其中λ_min、λ_max分别为正电极或负电极两端的周期，等于2倍的电极间距和4倍的电极宽度，V表示波速。此外，随着频带宽的增加，频响曲线呈现越来越大的旁瓣，并且宽频带呈现出不均匀性，向下的趋势，说明频带宽的增加并不是无限的，并不能随意增加带宽。由图5、6对比明显可见，本发明叉指换能器阵列的频率响应范围明显扩大，故实际应用中可激励不同频率下的Lamb波，满足更多工况。

如图7所示，是IDT与锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramic transducerPZT)激励产生Lamb波的位移幅值响应图。可见，相较于传统PZT激励产生的Lamb波，IDT激励产生的Lamb波能量相对更为集中，且幅值响应得到了大幅增强。

本发明所设计叉指换能器阵列，在激励信号时，水平方向上振幅最大，垂直方向上振幅很小，而且左右具有对称性。同样，在作为传感器时，对水平方向的激励最为敏感，而竖直方向上的扰动对其影响较小。相对于矩形IDT来说，梯形叉指换能器激励和接收信号的角度范围更广，更能适用于不同角度上信号的激励和接收，具有一定的滤波效果。

另外，本发明叉指换能器阵列可用于粘贴在被测构件表面，不会影响构件本身性能，可用于多方位激励宽频带Lamb波信号，其频率范围可根据电极间距进行相应的调节，可适用于金属材料、非金属材料及复合材料的无损检测领域的应用，也将换能器集成到材料中，实现智能化，可促进微纳米传感器、能量收集器等开发和广泛应用。

图8为本发明实施例叉指换能器制作方法流程示意图，如图8所示，叉指换能器制作方法包括：

步骤801：将聚偏氟乙烯材料沿厚度方向进行极化，得到聚偏氟乙烯基底。

其中，步骤801还包括，聚偏氟乙烯基底为聚偏氟乙烯基底压电薄膜，聚偏氟乙烯基底为圆盘形，在聚偏氟乙烯基底固化前清理制备基底时的残余材料。

步骤802：以聚偏氟乙烯基底为底面，在底面上设计N个梯形叉指电极阵元的图形。

其中，步骤802还包括，以所述聚偏氟乙烯基底为底面，在所述底面上设计N个梯形叉指电极阵元的图形，N为大于3的整数，多个所述梯形叉指电极阵元以所述底面的圆心为中心沿圆周方向均匀分布在所述底面的表面；所述梯形叉指电极阵元的正极叉指电极包括正极外接端和多个相互间隔的正电极，多个所述正电极的一端均与所述正极外接端连接，多个所述正电极共面，所述梯形叉指电极阵元的负极叉指电极包括负极外接端和多个相互间隔的负电极，多个所述负电极的一端均与所述负极外接端连接，多个所述负电极共面；各所述梯形叉指电极阵元中的多个所述正电极和多个所述负电极交替间隔排列；各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述正极外接端，各相邻的两个所述梯形叉指电极阵元共用一个所述负极外接端。

步骤803：采用喷金工艺，根据设计的N个梯形叉指电极阵元图形，将N个梯形叉指电极阵元沉积在聚偏氟乙烯基底的表面上，得到聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列。

其中，步骤803还包括，使用JFC-1600粒子溅射仪，将聚偏氟乙烯基底置于玻璃罩中，将金块作为靶材，将玻璃罩抽真空后，施加高电压，使金电离，沉积到薄膜表面，在柔性聚偏氟乙烯基底的表面沉积出环形叉指电极，即聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列。

步骤804：采用聚合物保护层对聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列进行封装。

其中，步骤804之前还包括，将聚偏氟乙烯基梯形叉指换能器阵列烘干固化。

本发明公开的叉指换能器制作方法中通过喷金工艺将梯形叉指换能器阵列喷涂到聚偏氟乙烯基底上的方法，采用喷金工艺，大电流融化喷金丝，高压吹气，喷金成粉末，喷涂在聚偏氟乙烯压电薄膜表面，电极与聚偏氟乙烯薄膜结合度高，表面粗糙度小，易实现批量生产且能够得到质量保障。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。