專利名稱：微小型聲頻定向超聲換能器陣列的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲頻定向換能器，屬于定向超聲換能器和揚(yáng)聲器領(lǐng)域，并涉 及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和MEMS領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聲頻定向揚(yáng)聲器是一種利用超聲波在空氣中的非線性傳播效應(yīng)產(chǎn)生高指向 性可聽聲的新型揚(yáng)聲器。音頻信號(hào)經(jīng)過處理后形成含有該音頻信號(hào)信息的超聲波 信號(hào)，由聲頻定向揚(yáng)聲器的發(fā)聲設(shè)備——換能器將該超聲波發(fā)射到空氣中，然后 該超聲波在空氣中自解調(diào)出其中載有的音頻信號(hào)，形成一具有很強(qiáng)指向性的可聽 聲信號(hào)。
用于發(fā)射定向超聲波的換能器可以采用PZT、 PVDF、磁致伸縮材料或其它 具有壓電效應(yīng)的材料。這些材料的共同特點(diǎn)是，外加適當(dāng)?shù)碾娂?lì)信號(hào)，即可產(chǎn) 生較大的機(jī)械位移或壓力，利用這一特點(diǎn)，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)或壓力，將信號(hào)發(fā)射到空氣中。專利US 20050100181A1提出了一種用于發(fā)射定向聲波的參量換能器的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)利 用若干個(gè)平行的隆起來形成若干個(gè)發(fā)射凹槽，并以此固定壓電膜。由于凹槽所具 有的相對(duì)較小的寬度和若干個(gè)平行隆起所占有的相當(dāng)?shù)墓潭娣e，這種結(jié)構(gòu)將會(huì) 導(dǎo)致所發(fā)射的聲波聲壓很小，電聲轉(zhuǎn)換的效率不高，不易得到較高的輸出功率； 并且，壓電膜有相當(dāng)部分被粘連在隆起上用于起固定作用，這使得其用于有效振 動(dòng)的使用面積降低，壓電膜的有效面積利用率降低，制作成本增高。
本發(fā)明基于微機(jī)電(Micro-electromechanical Systems,簡(jiǎn)稱MEMS)加工技術(shù)， 將具有MEMS加工工藝的PVDF壓電膜與微型換能器結(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)需要提高振動(dòng) 膜的面積以達(dá)到充分地利用振動(dòng)壓電膜。并且，其高靈敏度、大的位移電壓比、 大的電容體積比以及寬頻帶的諧振頻率是其他任何超聲換能器、縱向壓電換能器 和電容換能器難以實(shí)現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容
傳統(tǒng)揚(yáng)聲器的聲音傳播是發(fā)散式的,不具有指向性。然而隨著社會(huì)的不斷進(jìn) 步，越來越多場(chǎng)合要求一種具有高指向性的揚(yáng)聲器。與傳統(tǒng)發(fā)散式的揚(yáng)聲器相比， 這是第一種的可以用于聲音定向傳輸?shù)母咧赶蛐該P(yáng)聲器。
本發(fā)明的目的是通過應(yīng)用MEMS技術(shù)制成的壓電材料PZT或PVDF或其他 材料，制作微型聲頻定向換能器，該換能器能夠在20kHz 500kHz頻帶范圍內(nèi) 有效地發(fā)出超聲波。
本發(fā)明的另一目的是為手機(jī)、游戲掌機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)及MP3/MP4 播放器、便攜式VCD/DVD播放器、筆記本電腦或掌上電腦等各種多媒體小型終 端設(shè)備提供一種可使聲音定向傳播的免提裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供了一種微型換能器陣列布置的方式和裝配的方法。 包括該換能器中陣列單元的結(jié)構(gòu)和裝配方法及陣列間的排列方式。
為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種以PZT， PVDF或磁致伸縮等壓電材料
制作而成的壓電薄膜為振動(dòng)膜，并配以相應(yīng)固定裝置和電極加載結(jié)構(gòu)的微型超聲 換能器。其中包含
若干個(gè)彎曲伸張單壓電晶體或壓電復(fù)合材料換能器，用于組成陣列式的微型
聲頻定向換能器；
換能器的固定元件，避免振動(dòng)帶來的偏離； 電極，作為電氣接入點(diǎn)，施加電激勵(lì)信號(hào)；
壓電薄膜保護(hù)板，用于保護(hù)壓電薄膜不受外界接觸和損壞，且不會(huì)影響到壓 電薄膜振動(dòng)所發(fā)射出的聲波。
其中單壓電晶體或壓電復(fù)合材料換能器包含
壓電薄膜，用于將電激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移；
壓電薄膜固定元件，避免薄膜因振動(dòng)而偏移，并且向壓電薄膜提供振動(dòng)所需 的空間或振動(dòng)腔；
壓電薄膜電氣接入點(diǎn)電極，同其他的單壓電晶體換能器相連接。該導(dǎo)電電極 也可以作為固定元件。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，換能器的外形可以是矩形，其中的陣列單元可以 是矩形，也可以是圓形或橢圓形。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，換能器的外形可以是圓形或橢圓形，其中的陣列 單元可以是圓形，也可以是橢圓形或矩形。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，換能器陣列單元可以是圓形、橢圓形、矩形，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。這些所述的陣列單元都具有相同 或相近的橫截面。各個(gè)陣列單元可以各自使用單獨(dú)的壓電膜，也可以共同使用一 張大的壓電膜。對(duì)比而言，共用一張大的壓電膜能較好地保證各個(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；而各陣列單元分開使用各自的 單獨(dú)的壓電膜能盡量大地節(jié)省膜的使用面積，使得壓電膜的有效使用面積盡量 大，提高壓電膜的使用效率。根據(jù)具體情況，可以自定義選用合適的陣列形式。
本發(fā)明在保證較好的指向性的基礎(chǔ)上，具有失真小、面積小、聲壓大、穩(wěn)定 性好等特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易制造、成本低，能適用于多種場(chǎng)合的需要。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。 圖1是以矩形陣列單元構(gòu)成的矩形換能器實(shí)例的正視圖； 圖2是以圓形陣列單元構(gòu)成的圓形換能器實(shí)例的正視圖； 圖3是基于MEMS鍍銀加工制作的PVDF壓電膜橫截面；
圖4是換能器陣列單元主要部分的局部剖視圖5是長(zhǎng)條形陣列單元所構(gòu)成的矩形換能器的31>實(shí)體正視圖6是以環(huán)形陣列為振動(dòng)單元的環(huán)形換能器3D實(shí)體正視圖。
圖中l(wèi).正極固定板，2.負(fù)極固定板，3.換能器陣列單元，4.壓電薄膜保護(hù)板， 5.帶正電極的固定板，6.PVDF壓電鍍銀膜，63.膜兩邊所鍍的銀層，6b.PVDF 壓電膜，7 .陣列單元固定凹槽(注該凹槽可以是矩形單元、圓形單元、橢圓形 單元，或是長(zhǎng)條幅形單元、環(huán)形單元)，8滯負(fù)電極的固定板，9.換能器絕緣支撐 框，IO.陣列單元壓電膜的振動(dòng)部分。
具體實(shí)施例方式
圖1示出按照本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)化的具體實(shí)施例一矩形換能器的3D
正視圖，該超聲換能器由正極導(dǎo)電固定板l、陣列單元固定凹槽7和負(fù)極導(dǎo)電固 定板2，通過對(duì)PVDF壓電鍍銀膜6緊密壓制形成振動(dòng)陣列單元3。若干個(gè)這樣 的振動(dòng)陣列單元排列形成該矩形換能器。該簡(jiǎn)圖中為更直觀的表達(dá)換能器的外 形，省略了陣列單元固定凹槽7。該實(shí)施例中，所用以制成的陣列單元為矩形結(jié) 構(gòu)，該單元也可以是圓形、橢圓形或菱形結(jié)構(gòu)。各個(gè)陣列單元可以為相同尺寸大 小，也可以為不同尺寸，其尺寸及陣列單元間的間距可小到毫米級(jí)別，大到厘米 級(jí)別甚至更大，所構(gòu)成的一個(gè)陣列形換能器也可以做到幾個(gè)毫米級(jí)別到幾十或幾 百厘米級(jí)別，也可以根據(jù)該原理，做到尺寸更大的中型或大型換能器。由于篇幅 原因，這里就不一一列出。
圖2示出按照本發(fā)明所設(shè)計(jì)的另一個(gè)簡(jiǎn)化的具體實(shí)施例——圓形換能器的 3D正視圖，與圖1類似的，該超聲換能器由正極導(dǎo)電固定板1、陣列單元固定 凹槽7和負(fù)極導(dǎo)電固定板2，通過對(duì)PVDF壓電鍍銀膜6緊密壓制形成振動(dòng)陣列 單元3。若干個(gè)這樣的振動(dòng)陣列單元排列形成該圓形換能器。該簡(jiǎn)圖中為更直觀 的表達(dá)換能器的外形，省略了陣列單元固定凹槽7。該實(shí)施例中，所用以制成的 陣列單元為圓形結(jié)構(gòu)，該單元也可以是矩形、橢圓形或菱形結(jié)構(gòu)。各個(gè)陣列單元 可以為相同尺寸大小，也可以為不同尺寸，其尺寸及陣列單元間的間距可小到毫 米級(jí)別，大到厘米級(jí)別甚至更大，所構(gòu)成的一個(gè)陣列形換能器也可以做到幾個(gè)毫 米級(jí)別到幾十或幾百厘米級(jí)別，也可以根據(jù)該原理，做到尺寸更大的中型或大型 換能器。由于篇幅原因，這里就不一一列出。
圖3示出了各具體實(shí)施例中所使用的PVDF壓電鍍銀膜6的橫截剖面。由圖 3可知，PVDF壓電鍍銀膜6由上下側(cè)所鍍的銀層6a和PVDF壓電膜6b經(jīng)過濺 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。當(dāng)在兩側(cè)銀 層加上電壓后，壓電鍍銀膜6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，在電極固定板5和陣列單元固定凹槽7的緊固下，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 期望的可聽聲便會(huì)從定向的超聲波范圍中解調(diào)出來。該實(shí)施例中，所用的PVDF
膜層為28拜，兩側(cè)所鍍銀層分別為6罔，所形成的PVDF壓電鍍銀膜6總共 厚度為40拜。
圖4示出了換能器陣列單元主要部分的局部剖視圖，如圖所示，在絕緣支撐 框9外部，正極導(dǎo)電固定板5和負(fù)極導(dǎo)電固定板8的外部電極直接接到交流電信 號(hào)的兩端；在絕緣支撐框9內(nèi)部，PVDF壓電鍍銀膜6通過正極導(dǎo)電固定板5和 陣列單元固定凹槽7緊壓固定支撐，PVDF壓電鍍銀膜6的上側(cè)通過正極導(dǎo)電固 定板5直接接到交流電信號(hào)的正極，陣列單元固定凹槽7為導(dǎo)電金屬，通過與負(fù) 極導(dǎo)電固定板8的焊接，將負(fù)電極引入接到PVDF壓電鍍銀膜6的下側(cè)。這樣實(shí) 現(xiàn)了 PVDF壓電鍍銀膜6的電極接入，為確保電極與PVDF壓電鍍銀膜6的更 緊密接觸和穩(wěn)定工作，可以用導(dǎo)電膠將PVDF壓電鍍銀膜6的上側(cè)與正極導(dǎo)電固 定板5粘在一起，下側(cè)與凹槽7粘在一起。導(dǎo)電固定板5、 8通過絕緣支撐框9 上的通孔，并與其緊配合固定。通過這些固定方法，PVDF壓電鍍銀膜6在對(duì)應(yīng) 凹槽7的地方，便可以利用凹槽7所形成的空腔產(chǎn)生振動(dòng)，即陣列單元中的PVDF 振動(dòng)膜10。壓電薄膜保護(hù)板4可粘貼或是用螺栓緊固在絕緣支撐框9上用以保 護(hù)壓電薄膜不受外界接觸和損壞，保護(hù)板4上的開口形狀、位置、尺寸須保證其 不會(huì)影響到電薄膜振動(dòng)所發(fā)射出的聲波的傳播。值得注意的是，此處需精確考慮 振動(dòng)單元凹槽7的開口大小及深度，因?yàn)檎駝?dòng)單元的寬度對(duì)整個(gè)換能器的模態(tài)有 很大影響，而凹槽7底部所反射的聲波也將會(huì)對(duì)PVDF壓電鍍銀膜6上側(cè)所發(fā)射 出的聲波產(chǎn)生干涉作用而造成很大的失真。振動(dòng)膜10的諧振頻率、振幅大小、 超聲聲壓強(qiáng)度以及指向性都很大程度上取決于振動(dòng)膜10的振動(dòng)寬度。因此，在 對(duì)輸出超聲波有不同要求的場(chǎng)合，需特別地定義其振動(dòng)寬度，在用于微型和一般 大小的聲頻定向換能器時(shí)，該寬度可以設(shè)置為毫米級(jí)或厘米級(jí)。另外，凹槽7 的深度也要根據(jù)實(shí)際振動(dòng)頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)來決定，為了使得在工作頻率下，凹 槽7底部的反射波與原來空氣中的超聲波在疊加后聲壓增加，必須在盡量減小凹 槽7深度的情況下，使深度與超聲波長(zhǎng)相關(guān)；如果不希望反射波影響直接發(fā)射出 的超聲波，則可以在凹槽7底部涂上或粘上聲波吸收材料使換能器反向發(fā)出的超 聲波被吸收掉。
圖5示出了長(zhǎng)條形陣列單元所構(gòu)成的矩形換能器的3D外觀實(shí)體正視圖。由 圖可見，導(dǎo)電固定板5、 8的兩個(gè)電極穿過絕緣支撐框9的通孔直接與交流電信 號(hào)相接。與圖4所示的陣列單元剖面結(jié)構(gòu)不同的是，圖5中的振動(dòng)陣列單元為長(zhǎng) 條幅形。這種結(jié)構(gòu)能增大有效振動(dòng)面積，提高壓電薄膜有效面積利用率，并且能
增大所發(fā)出的聲壓和達(dá)到較好的指向性，適用范圍較廣。與圖4中的描述類似， 正極導(dǎo)電固定板5與凹槽7仍可以用導(dǎo)電膠與壓電薄膜6兩側(cè)加以固定，凹槽7 為導(dǎo)電金屬，通過與負(fù)極導(dǎo)電固定板8的焊接而直接接到交流電信號(hào)的負(fù)極，從 而使交流電信號(hào)穩(wěn)定安全地加載到PVDF壓電鍍銀膜6的兩側(cè)。長(zhǎng)條形陣列單元 的寬度與深度與圖4中的描述大致相同，這里就不再累述。
圖6示出了簡(jiǎn)化的以環(huán)形陣列為振動(dòng)單元的環(huán)形換能器的3D實(shí)體正視圖。 在該實(shí)施例中，超聲換能器由正極導(dǎo)電固定板l、陣列單元固定凹槽7和負(fù)極導(dǎo) 電固定板2，通過對(duì)PVDF壓電鍍銀膜6緊密壓制形成環(huán)形振動(dòng)陣列單元10。該 簡(jiǎn)圖中為更直觀的表達(dá)換能器的外形，省略了陣列單元固定凹槽7，且該陣列單 元的剖面圖與圖4相同，也不再重復(fù)。需要補(bǔ)充的是，整體外形為圓形的換能器 陣列單元的設(shè)計(jì)上，仍然可以采用長(zhǎng)條幅形的單元，該長(zhǎng)條幅形陣列單元可沿圓 形換能器的半徑方向排列。
盡管借助附圖所示實(shí)施形式對(duì)本發(fā)明作了說明，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
1.一種聲頻定向超聲換能器陣列，包括壓電振動(dòng)薄膜材料(6)，帶電極的固定板(5)、(8)，陣列單元固定凹槽(7)，絕緣支撐框(9)及壓電薄膜保護(hù)板(4)。其特征在于，換能器由若干獨(dú)立的換能器陣列單元(3)經(jīng)排列構(gòu)成，通過單元(3)內(nèi)部的薄膜振動(dòng)，向凹槽(7)開口方向發(fā)射經(jīng)過預(yù)處理的定向超聲波以解調(diào)出定向的可聽聲。
2. 如權(quán)利要求l所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，所用于振 動(dòng)的壓電材料可以為PVDF壓電膜(6)、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. 如權(quán)利要求l所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，壓電膜振 動(dòng)單元可以為平面，也可以為凹弧面或凸弧面。
4. 如權(quán)利要求l所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，由所加的 固定元件提供薄膜振動(dòng)的空間和薄膜周邊固定處所需要的緊固力。
5. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，由帶電極 的固定板(5)、 (8)緊固振動(dòng)薄膜并在其兩側(cè)加載驅(qū)動(dòng)電信號(hào)。
6. 如權(quán)利要求l所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，通過換能 器絕緣支撐框(9)支撐和固定電極與換能器陣列單元，并保證正負(fù)極完全隔開。
7. 如權(quán)利要求1所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，通過壓電 薄膜保護(hù)板(4)保護(hù)壓電薄膜不受損壞。
8. 如權(quán)利要求7所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，保護(hù)板(4) 的開口尺寸須至少等于或大于振動(dòng)陣列單元，并與之對(duì)齊。
9. 如權(quán)利要求l所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，換能器陣 列單元可以是圓形、橢圓形、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。K).如權(quán)利要求l所述的聲頻定向超聲換能器陣列，其特征在于，換能器的 外形可以是矩形、圓形或橢圓形。
全文摘要
一種由多個(gè)換能器陣列單元排列而成，用于發(fā)射定向超聲波并且使其在空氣中解調(diào)進(jìn)而產(chǎn)生定向可聽聲的超聲換能器陣列。該換能器陣列包括帶電極的導(dǎo)電固定板(5)、(8)以及用以振動(dòng)發(fā)射超聲波的PVDF壓電鍍銀膜(6)、用以向壓電薄膜(6)提供振動(dòng)空腔的陣列單元固定凹槽(7)和用以保護(hù)壓電薄膜，防止其與外界接觸和損壞的壓電薄膜保護(hù)板(4)。固定板(5)、(8)穿過絕緣支撐框(9)直接接到交流電信號(hào)的兩端，壓電膜(6)通過固定板(5)和凹槽(7)緊壓固定支撐，凹槽(7)為導(dǎo)電金屬，通過與固定板(8)的焊接，將負(fù)電極接到壓電膜(6)的下側(cè)。通過在壓電膜(6)兩端加以預(yù)處理后的交流電信號(hào)，該換能器則會(huì)振動(dòng)并發(fā)射出所期望的定向超聲波從而間接產(chǎn)生定向可聽聲。
文檔編號(hào)H04R17/00GK101106836SQ20071004950
公開日2008年1月16日 申請(qǐng)日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月12日
發(fā)明者徐利梅, 輝 李, 楊利維, 祎 王 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)