專利名稱：陣列式微型聲頻定向換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
陣列式微型聲頻定向換能器，屬于超聲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于MEMS的 換能器技術(shù)領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及超聲換能器直接產(chǎn)生超聲波，并通過(guò)超 聲波在空氣中的非線性交互作用產(chǎn)生具有高指向性的可聽(tīng)聲。
背景技術(shù)：
換能器是一種把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘?hào)的器件。傳統(tǒng)的換能器直接向空氣中輻 射頻率在可聽(tīng)聲頻段范圍內(nèi)的聲波，難以實(shí)現(xiàn)高指向性。陣列式微型聲頻定向換 能器通過(guò)超聲波在空氣中的非線性交互作用產(chǎn)生高指向性的可聽(tīng)聲，而不依賴換
能器固有的特性。其主要工作原理是換能器向空氣中發(fā)射調(diào)制有可聽(tīng)聲信號(hào)的 超聲波，由于空氣非線性波傳播效應(yīng)解調(diào)了狹窄的超聲波調(diào)制的聲音信號(hào)，產(chǎn)生 出高指向可聽(tīng)聲。
陣列式微型聲頻定向換能器可以采用PZT、 PVDF、磁致伸縮材料或其它具 有壓電效應(yīng)的材料。由于當(dāng)外加適當(dāng)?shù)碾娂?lì)信號(hào)時(shí)，壓電材料即可產(chǎn)生較大的 機(jī)械位移或壓力。因此，將含有音頻信息的超聲波激勵(lì)信號(hào)施加在換能器上，便 可轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，將信號(hào)發(fā)射出去。但是，單個(gè)換能器單元輸出功率小，指向 性差，接收靈敏度低，因此，本發(fā)明采用換能器陣列，旨在改善換能器指向性、 增強(qiáng)傳輸距離、提高輸出聲壓級(jí)、增大輸出功率等。
本發(fā)明基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro Mechanical Systems,簡(jiǎn)稱MEMS)加工 技術(shù)，將經(jīng)過(guò)MEMS工藝加工的PZT壓電薄膜與微型換能器結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并采 用了陣列的形式，使得所發(fā)明的換能器在保證穩(wěn)定工作的前提下，能根據(jù)需要增 加換能器的數(shù)量，調(diào)整換能器陣列形式，滿足具體需求。換能器陣列是由多個(gè)換 能器單元按一定方式排列、組合而成的一種陣列，其陣列形式包括線陣、平面陣 和立體陣以及各種組合陣。其中，平面陣又包括方陣、矩形陣、圓弧陣、橢圓陣、 菱形陣、多邊形陣等；立體陣包括圓柱陣、球殼陣、球體陣、錐形陣等；組合陣 包括均勻組合陣和非均勻組合陣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的陣列式微型聲頻定向換能器，相比傳統(tǒng)的換能器，能夠同時(shí)控 制聲波傳播空間分布與聲源位置，產(chǎn)生可控傳播方向的可聽(tīng)聲波，可以依照傳輸 距離的遠(yuǎn)近和輸出聲壓的大小來(lái)設(shè)置陣列單元的數(shù)量和排列方式。
本發(fā)明的目的是通過(guò)應(yīng)用MEMS工藝加工的PZT壓電薄膜或PVDF或其他 壓電薄膜，制作微型聲頻定向換能器單元，并通過(guò)陣列設(shè)計(jì)和裝配制作陣列式微 型聲頻定向換能器。該換能器能夠產(chǎn)生20kHz 500kHz頻帶范圍內(nèi)超聲波。
本發(fā)明的詳細(xì)技術(shù)方案為
陣列式微型聲頻定向換能器，包括若干個(gè)壓電材料換能器陣列單元和支撐框。
以上所述陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，換能器器陣列單元按一 定方式排列、組合在支撐框上，單元之間通過(guò)支撐框上的電極彼此串聯(lián)或并聯(lián)連
接在一起。
所述的支撐框，其特征在于，支撐框可以是金屬板，非金屬板如印刷電路板。 所述的支撐框，可以是方形平面薄板、圓形平面板、橢圓形平面板、拋物型
曲面板、半球形或球冠型曲面板、圓柱形曲面板。
所述的支撐框，其表面布有電極，與換能器單元電極串聯(lián)或者并聯(lián)。 所述的陣列單元，其特征在于，由上電極、振動(dòng)輻射材料、下電極和底座四
部分組成。
所述的陣列單元，其形狀可以是圓形，方形，橢圓形或者任意正多邊形。 所述的陣列單元，其輻射材料為電致伸縮材料或者磁致伸縮材料； 所述的電致伸縮材料可以是壓電材料；所述的壓電材料可以是壓電晶體、壓 電陶瓷、PZT或者PVDF壓電薄膜。
所述的陣列單元，其基底材料為硅；
上述方案中，所說(shuō)的支撐框是整個(gè)揚(yáng)聲器的支撐件，所有的陣列單元安裝在 支撐框上，電信號(hào)直接加在支撐框的電極上，通過(guò)支撐框表面的線路將電信號(hào)傳 輸?shù)矫恳粋€(gè)陣列單元上。所述的陣列單元，其上電極和下電極分別與輻射材料的 上下表面固定連接，通過(guò)上下電極與支撐框的電極相連接。下電極與硅基底相連 接，通過(guò)硅基底將輻射材料固定，輻射材料的形狀由基底上表面的形狀來(lái)保證。同時(shí)，上下電極作為兩個(gè)正負(fù)電極將電信號(hào)加到輻射材料上，使之產(chǎn)生振動(dòng)，將 電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，向外輻射超聲波。超聲波經(jīng)過(guò)空氣中的非線性交互作用， 產(chǎn)生高指向性可聽(tīng)聲信號(hào)。各個(gè)陣列單元可以各自使用單獨(dú)的電極，也可以共同 使用一個(gè)電極。對(duì)比而言，共用一個(gè)電極能較好地保證各個(gè)陣列單元振動(dòng)的一致 性，使輸出聲波相位一致，增大輸出聲壓；而各陣列單元分開(kāi)使用各自的單獨(dú)的 電極能根據(jù)需要調(diào)節(jié)輸入電壓的相位。根據(jù)具體情況，可以自定義選用合適的電 極形式。


圖1是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的陣列單元的實(shí)施方式之一；
圖2是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之一；
圖3是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之二；
圖4是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之三；
圖5是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之四；
圖6是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之五；
圖7是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之六；
圖8是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之七；
圖9是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之八；
圖10是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之九；
圖11是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之十；
圖12是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之十一；
圖13是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的實(shí)施方式之十二；
圖14是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的陣列單元的實(shí)施方式之二；
圖15是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的陣列單元的實(shí)施方式之三；
圖16是本發(fā)明陣列式微型聲頻定向換能器的支撐框的實(shí)施方式之一；
具體實(shí)施例方式
圖1所示為本發(fā)明中圓形陣列單元的一種實(shí)施方式，如下圖1所示，陣列單元共有四部 分組成，上電極1、下電極3、超聲波輻射材料2和底座4。上電極1和下電極3對(duì)輻射材料 2起到固定作用，并作為陣列單元的TT.負(fù)電極。上電極1和下電極3經(jīng)過(guò)濺射形成，這樣的 工藝保證了膜兩側(cè)導(dǎo)電的穩(wěn)定性和較小的寄生電阻。振動(dòng)輻射材料2是一種壓電薄膜材料， 所述的壓電薄膜材料可以是壓電陶瓷薄膜材料或者是壓電聚合物薄膜材料，輻射材料2要求 較高的機(jī)械響應(yīng)和電響應(yīng)靈敏度，其阻抗要求盡可能的與空氣阻抗相匹配。當(dāng)在兩側(cè)電極加 上電壓后，壓電薄膜會(huì)根據(jù)所加電壓大小和其中的頻率成分，產(chǎn)生伸縮變形，在固定底座4 緊固下，便會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于所加信號(hào)的超聲振動(dòng)從而發(fā)射出定向超聲波。再根據(jù)超聲波在空氣 中的自解調(diào)作用，所期望的可聽(tīng)聲便會(huì)從定向的超聲波范圍中解調(diào)出來(lái)。輻射材料2形狀為 圓平面，其大小由底座圓環(huán)面積的大小決定。平面半徑?jīng)Q定陣列單元的諧振頻率，其與陣列
單兀的諧振頻率成反比。該實(shí)施例中，所用的壓電薄膜2為2/ym，兩側(cè)所鍍電極l、 3分別 為0.2，，總共厚度為2.4戶。圖中的陣列單元的設(shè)計(jì)參數(shù)可以采用是-致的，或者是采用
不同的設(shè)計(jì)參數(shù)。都在本發(fā)明專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
在圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，矩形支撐框8是該裝置的支撐件，陣列單元5為一個(gè) 個(gè)獨(dú)立的超聲波換能器器單元，方形陣列單元5均勻的排列在矩形支撐框8上，每個(gè)線形陣 列單元5的結(jié)構(gòu)大小相同，諧振頻率等參數(shù)一致。上電極6、下電極7為鍍?cè)谥慰虮砻娴?電極。線形陣列單元5可以采用MEMS工藝固定在矩形支撐框8上。支撐框8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在 下圖16有詳盡的描述。
在圖3所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。所不同的是支撐框IO 采用的陣列形狀相匹配的平面橢圓結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元9的 結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖4所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。所不同的是支撐框12 采用的陣列形狀相匹配的平面矩形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元11 的結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖5所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。所不同的是支撐框14 采用的陣列形狀相匹配的平面弧形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元13 的結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖6所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。所不同的是支撐框16采用的陣列形狀相匹配的平面圓形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元15 的結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖7所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。所不同的是支撐框18 采用的陣列形狀相匹配的平面六邊形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元 17的結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖8所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。雖然支撐框20采用的 是與陣列形狀相匹配的環(huán)形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元19的結(jié)構(gòu) 形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖9所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。雖然支撐框22采用的 是與陣列形狀相匹配的菱形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元21的結(jié)構(gòu) 形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖IO所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)類似。雖然支撐框24采用 的是與陣列形狀相匹配的三角形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列單元23的 結(jié)構(gòu)形狀與實(shí)施例2中的陣列單元5的結(jié)構(gòu)相同，為圓形結(jié)構(gòu)。
在圖ll所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)不同，為三維陣列。雖然支 撐框26采用的是與陣列形狀相匹配的半球形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣 列單元25的結(jié)構(gòu)形狀為方形單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖14屮的單元結(jié)構(gòu)相同。
在圖12所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)不同，為三維陣列。雖然支 撐框28采用的是與陣列形狀相匹配的半圓柱形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。 陣列單元27的結(jié)構(gòu)形狀為方形單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖14中的單元結(jié)構(gòu)相同。
在圖13所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，其結(jié)構(gòu)與實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)不同，為三維陣列。雖然支 撐框30采用的是與陣列形狀相匹配的錐形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖16中的支撐框相同。陣列 單元29的結(jié)構(gòu)形狀為方形單兀，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與圖14中的單元結(jié)構(gòu)相同。
圖14所示為本發(fā)明中陣列單元的另一種實(shí)施方式，為方形結(jié)構(gòu)，與圖1中所采用的材料 都相同，所不同的是圖14中陣列單元的底座34為方形結(jié)構(gòu)，并四邊固支。其上電極31、下 電極33，中間的超聲波輻射材料32均為方形結(jié)構(gòu)。
圖15所示為本發(fā)明中陣列單元的另一種實(shí)施方式，為懸臂梁結(jié)構(gòu)，與圖1中所采用的材 料都相同，所不同的是圖15中陣列單元的底座38為懸臂梁結(jié)構(gòu)，并單邊固支。其上電極35、 下電極37，中間的超聲波輻射材料36均為矩形結(jié)構(gòu)。
在圖16所示的本發(fā)明的實(shí)施例中，支撐框包括支撐底板41和鍍?cè)谄浔砻娴恼姌O39、 負(fù)電極40。支撐底板采用矩形結(jié)構(gòu)，電極則隨著支撐底板結(jié)構(gòu)而做出相應(yīng)改變。支撐底板表面鍍有絕緣層，上下電極則鍍?cè)诮^緣層之外。陣列單元的正極引出導(dǎo)線，連接于支撐框的正 電極39;陣列單元的負(fù)極引出導(dǎo)線，連接于支撐框的負(fù)電極40。電壓加到支撐框的正負(fù)電極 39、 40上，正負(fù)電極39、 40將所有的陣列單元并聯(lián)在一起。
盡管借助附圖所示實(shí)施形式對(duì)本發(fā)明作了說(shuō)明，但還應(yīng)注意到，本發(fā)明不僅僅局限于所 示實(shí)施形式，而是包括所有可能的變化，修改和等同的設(shè)計(jì)、配置，排列方式，以及由權(quán)利 要求書所覆蓋的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、陣列式微型聲頻定向換能器，包括支撐框和若干個(gè)陣列單元組成，其特征在于，換能器由若干獨(dú)立的換能器陣列單元排列構(gòu)成，通過(guò)單元內(nèi)部的薄膜振動(dòng)，向外部垂直方向發(fā)射經(jīng)過(guò)預(yù)處理的定向超聲波，其在空氣中自解調(diào)出定向的可聽(tīng)聲。陣列單元的數(shù)目根據(jù)超聲波的聲壓、指向性等參數(shù)的要求進(jìn)行調(diào)整。所述的陣列單元，其特征在于，由上電極，輻射材料、下電極和基底三部分組成。上電極和下電極作為正負(fù)電極分別和輻射材料的上下兩個(gè)表面相固連。所述的支撐框?yàn)橐粋€(gè)多層的帶有導(dǎo)電線路的支撐板，表面鍍有正負(fù)電極，和陣列單元的電極相串聯(lián)或者并聯(lián)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，所用于振動(dòng)的輻射 材料可以為壓電陶瓷、PZT壓電膜、磁致伸縮或是任意經(jīng)MEMS加工的各類能將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī) 械振動(dòng)的材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，所述 的換能器單元輻射面可以為平面，也可以為凹弧面或凸弧面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，其有 效工作面積在lmn]2至1萬(wàn)咖2之間，換能器陣列單元的外部形狀可以是圓形、橢圓形、橢圓 曲面形、矩形，三角形，還可以是一個(gè)長(zhǎng)條形振動(dòng)單元或是環(huán)形振動(dòng)單元。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，所述的陣列單元的 個(gè)數(shù)在2個(gè)至1000個(gè)之間。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，換能器單元電極之 間連接，可以是并聯(lián)、串聯(lián)或串并混合連接。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，所述的換能器陣列 的外部形狀可以是圓形、菱形、多邊形、圓環(huán)形、方形、錐形或者為半球形。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的陣列式微型聲頻定向換能器，其特征在于，所述的陣列單元的 諧振頻率在20kHz 500kHz之間。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1和7所述的陣列單元的弧形輻射材料的中心點(diǎn)之間的距離，其特征在 于，其距離小于陣列單元的諧振頻率所對(duì)應(yīng)的超聲波的半波長(zhǎng)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述陣列式微型聲頻定向換能器的陣列單元，其特征在于，所采用 的陣列單元可以為同種單元或者是采用不同的單元。
全文摘要
陣列式微型聲頻定向換能器，屬于超聲技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及換能器技術(shù)領(lǐng)域。它通過(guò)將多個(gè)微型換能器單元均勻或非均勻的排列在一個(gè)支撐框上，用于發(fā)射被可聽(tīng)聲信號(hào)調(diào)制的超聲波，超聲波在空氣中自解調(diào)，產(chǎn)生具有高指向性的可聽(tīng)聲。所采用換能器單元由四部分組成上電極、下電極、輻射材料和底座。支撐框表面鍍有正負(fù)電極，連接所有換能器單元的正負(fù)極。陣列式微型聲頻定向換能器的單元個(gè)數(shù)可以根據(jù)指向性、聲壓級(jí)等參數(shù)的要求而改變，具有機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、指向性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、陣列結(jié)構(gòu)多變等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04R17/00GK101583062SQ20091005977
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者徐利梅, 李學(xué)生, 祎 王, 耿云龍, 許亮鋒 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)