Ультразвуковой преобразователь

 

Использование: в гидроакустике, дефектоскопии и акустической микроскопии. Сущность изобретения: ультразвуковой преобразователь содержит диэлектрическую подложку с углублением сферической формы. На нижнем электроде, расположенном на подложке, выполнен пьезоактивный слой 4 с использованием текстурированной пленки нитрата гуанидина, кристаллические оси (III) микрокристаллов которой направлены нормально к поверхности подложки в любой точке сферического углубления. 2 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в гидроакустике, дефектоскопии и акустической микроскопии.

Известен ультразвуковой УЗ преобразователь, выполненный из полимерного пьезоэлектрического материала, установленный на сферической поверхности выемки в диэлектрической пластине [1] Наиболее близким техническим решением является УЗ преобразователь, содержащий подложку из диэлектрического материала со сферическим углублением, в котором закреплена пленка из полимерного пьезоактивного материала, на поверхности которой нанесены металлические электроды [2] Недостатком такой конструкции является технологическая сложность изготовления качественного слоя пьезоматериала, малый коэффициент электромеханической связи.

Задача изобретения создание фокусирующего преобразователя с пьезослоем, обладающим высоким коэффициентом электромеханической связи, технологичного в изготовлении и с широкой полосой пропускания.

Задача решается таким образом, что в УЗ преобразователе, содержащем подложку со сферически углублением, в котором закреплена пленка из пьезоактивного материала, на поверхности которой нанесены металлические электроды, в качестве пленки использована текстурированная пленка нитрата гуанидина, кристаллографические оси (III) микрокристаллов которой направлены нормально к поверхности подложки.

На фиг. 1 показана конструкция устройства.

Ультразвуковой преобразователь содержит диэлектрическую подложку 1 с углублением сферической формы 2, являющуюся тыльной нагрузкой преобразователя. Нижний пленочный электрод 3 расположен на подложке. Пьезоактивный слой нитрата гуанидина 4 расположен на нижнем электроде, а верхний электрод 5 расположен поверх пьезоактивного слоя таким образом, что углубление 2 находится в области пересечения нижнего и верхнего электродов.

УЗ-преобразователь работает следующим образом. При подаче синусоидального или импульсного напряжения на электроды преобразователя благодаря свойствам пьезоактивной пленки в нем создается механическая деформация, приводящая к возбуждению акустической волны со сходящимся фронтом в жидкости, в которую помещается преобразователь. Преобразователь является обратимым, т.е. расходящаяся акустическая волна способна создавать в пьезоактивном материале деформацию, приводящую к генерации на электродах преобразователя электрического напряжения. Данный преобразователь может быть использован как для излучения, так и для приема УЗ излучения.

Изготавливают подложку в виде цилиндра из плавленного кварца, диаметром 10 мм и длиной 30 мм со сферическим углублением на одном из торцов цилиндра, диаметром 3,2 мм и радиусом кривизны 4 мм. Верхний, нижний и пьезоактивный слой УЗ преобразователя получают методом термического испарения в вакууме; Подложку после тщательного промывания и сушки помещают в испарительную камеру вакуумной установки на расстоянии 250 мм от испарительного тигля. Ось цилиндра устанавливают вертикально и располагают над центром тигля. Производят напыление нижнего алюминиевого электрода. Затем помещают в тигель навеску нитрата гуанидина в количестве 0,5 г. Создают в напылительной камере вакуум порядка 10^-5 мм рт.ст. Нагревают тигель до 214±1^oC. Производят осаждение до полного испарения навески. Контроль толщины пленки осуществляют с помощью кварцевого измерителя толщины. При указанных условиях получают слой нитрата гуанидина толщиной 6 мкм. Затем производят напыление верхнего электрода из Al, толщиной 0,1 0,2 мкм по общепринятой технологии. Процент выхода годных изделий составляет 70 80 Специально проведенные рентгеностpуктурные исследования показали, что для кристаллической решетки микрокристаллов, составляющих текстурированную пленку, свойственно наличие кристаллофизических плоскостей, расстояние между которыми равно 3,08±0,03. При этом нормаль к этим плоскостям является осью [III] кристалла. Упомянутые оси [III] упорядочены в пространстве; они направлены преимущественно вдоль нормали к подложке.

На фиг. 2 приведена дифрактограмма пленки нитрата гуанидина, полученная методом 0 20 (источник излучения линия CuK_α). Как видно, дифрактограмма содержит единственный пик, отвечающий межплоскостному расстоянию 3,08. Это свидетельствует о высокой степени ориентации пленки.

УЗ преобразователь помещают в иммерсионную жидкость, например, ксилол. На электроды подают напряжение 10 В в виде ступеньки с длительностью фронта 2 нс. Осциллограмма принятого сигнала, возникающего в результате отражения ультразвуковой волны от границы раздела ксилол-воздух, показывает, что преобразователь генерирует практически униполярный импульс, что обеспечивает высокое временное разрешение преобразователя. Потери преобразователя оцениваются по амплитуде принятого синусоидального сигнала при оптимальной нагрузке преобразователя и составляет 8 10 дБ в диапазоне частот от 50 до 70 МГц, равномерно увеличиваясь до 15 дБ при снижении частоты до 5 МГц.

Кроме того, достоинством фокусирующего УЗ преобразователя является значительное уменьшение отношения сигнал/помеха по отношению к стандартной акустической линзе. В качестве иллюстрации приводятся временные зависимости отношения сигнал/помеха при равной чувствительности преобразователей, а именно: описанного в примере УЗ преобразователя и акустической линзы, представляющей собой УЗ преобразователь из ниобата лития, расположенный на кварцевом звукопроводе длиной 30 мм и диаметром 10 мм со сферическим углублением радиусом 4 мм на его противоположном конце.

Широкая рабочая полоса преобразователя позволяет использовать один и тот же преобразователь на разных частотах.

Формула изобретения

Ультразвуковой преобразователь, содержащий подложку со сферическим углублением, в котором закреплена пленка из пьезоактивного материала, на поверхности которой нанесены соответствующие металлические электроды, отличающийся тем, что в качестве пленки из пьезоактивного материала использована текстурированная пленка нитрата гуанидина, кристаллографические оси (III) микрокристаллов которой направлены нормально к поверхности подложки в любой точке сферического углубления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2