專利名稱：圓形薄膜壓電超聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種換能器，具體地說，本發(fā)明涉及一種在機(jī)械能與聲能之間轉(zhuǎn)換效 率較高的圓形薄膜壓電超聲換能器。
背景技術(shù)：
在電子裝置、家用電器、手機(jī)中廣泛使用壓電換能器，如壓電揚(yáng)聲器和壓電受話 器，或用于醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域的超聲成像系統(tǒng)等。一般而言，換能器是將交流電壓加載到壓電陶瓷鋪層(Piezoelectric Ceramic Layer)上，從而使鋪層產(chǎn)生交替伸縮現(xiàn)象的裝置。對(duì)于超聲波換能器來說，雖然其伸縮的大 小只有數(shù)微米，但是由于它每秒振動(dòng)達(dá)數(shù)十萬次，所以該鋪層每秒可移動(dòng)達(dá)數(shù)厘米。如圖1 所示，傳統(tǒng)的壓電換能器都是將矩形或圓形的壓電單元鋪置在硅基片之上，形成振動(dòng)片。其 結(jié)構(gòu)主要由硅基片(101)、位于該硅基片(101)上的支撐層(103)以及位于支撐層上的單一 壓電換能單元組成，其中底部電極(104)、壓電薄膜(10 和頂部電極(106)構(gòu)成換能器單 元。該壓電單元與支撐層(10 構(gòu)成薄膜換能器的振動(dòng)膜片。該振動(dòng)膜片位于空心的硅杯 結(jié)構(gòu)上，該硅杯結(jié)構(gòu)是將硅片進(jìn)行體刻蝕后形成的。由于壓電薄膜具有壓電效應(yīng)，所以當(dāng)在 底部電極(104)與頂部電極(106)之間施加交流信號(hào)時(shí)，振動(dòng)膜片將發(fā)生彎曲振動(dòng)，并向外 輻射出聲波。同樣的，當(dāng)振動(dòng)膜片接收到外界的聲波作用時(shí)，壓電單元會(huì)將振動(dòng)膜片的形變 轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。這就是壓電換能器的基本工作原理。在這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)中，振動(dòng)膜片是受固支邊界條件的作用的，振動(dòng)方程為貝塞爾 方程，其基頻模態(tài)如圖3所示。從圖4中可以看出，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)，假如振動(dòng)膜片向上振動(dòng)， 其邊緣部分的曲率為正，而中心部分的曲率為負(fù)，二者相反。這表明振動(dòng)膜片表面的邊緣部 分與中心部分的拉壓狀態(tài)也是相反的，處于截然不同的應(yīng)力狀態(tài)。但由于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用單 一的壓電單元，而壓電單元給與振動(dòng)膜片的激勵(lì)是同方向的，所以單一壓電單元的邊緣給 與振動(dòng)膜片的激勵(lì)方向與壓電單元的中心部分給與振動(dòng)膜片的激勵(lì)方向是相反的。由于基 頻振動(dòng)涵蓋了振動(dòng)的絕大部分能量，所以壓電單元給與振動(dòng)膜片的激勵(lì)能量存在著顯著的 抵消作用，從而使壓電換能器的工作效率大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有換能器結(jié)構(gòu)的不足，提供一種能夠提高機(jī)械能與聲能之 間轉(zhuǎn)換效率的壓電超聲換能器結(jié)構(gòu)及其制作方法，從而更加適于實(shí)用。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的薄膜壓電超聲換能器包括，具有硅杯結(jié)構(gòu)的 硅基片(101)、位于該硅基片(101)上的支撐層(103)以及位于支撐層上的兩個(gè)壓電換能單 元(107 與 108)。本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可以采用以下的技術(shù)措施來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。前述的超聲波換能器，其中所述的支撐層(10 可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄 膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜組成的復(fù)合膜。
前述的超聲波換能器，其中所述的兩個(gè)壓電換能單元均由底部電極、壓電薄膜和 頂部電極組成。前述的超聲波換能器，其中所述的壓電薄膜(105)是壓電陶瓷(PZT)薄膜。前述的超聲波換能器，其中所述的外部壓電單元(107)包圍住內(nèi)部壓電單元 (108)，即內(nèi)部壓電單元(108)為圓形形狀，外部壓電單元(107)為圓環(huán)形狀，二者同心并且
相互絕緣。采用具有上述結(jié)構(gòu)的壓電換能器，當(dāng)在底部電極和頂部電極之間加載交流電AC 信號(hào)時(shí)，外部壓電單元(107)的底部電極(109)與頂部電極(110)的電壓差，同內(nèi)部壓電單 元(108)的底部電極(111)與頂部電極(11 的電壓差相比，存在著η的相位差，從而在 圓形振動(dòng)膜片區(qū)域上形成的兩個(gè)振動(dòng)區(qū)域(PZT層)，且二者沿彼此相反的方向振動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明 超聲換能器通過分別給內(nèi)、外壓電單元加載相位不同的電壓，使得二者皆對(duì)振動(dòng)膜片產(chǎn)生 正向激勵(lì)，減少了能量損失，從而可以提高換能器的工作效率。


圖1是現(xiàn)有的硅基壓電超聲換能器的示意圖，說明傳統(tǒng)超聲換能器的結(jié)構(gòu)情況。圖2是本發(fā)明的圓形薄膜壓電超聲換能器的俯視圖。圖3是圓形固支膜片振動(dòng)的基頻模態(tài)圖。圖4是圓形固支膜片在發(fā)生基頻振動(dòng)時(shí)，其振動(dòng)膜片表面沿直徑方向的撓度分布 圖和曲率分布圖。
具體實(shí)施例方式為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合 附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的超音波換能器其具體實(shí)施方式
、結(jié)構(gòu)、特征及其功 效，詳細(xì)說明如下。圖2為本發(fā)明的圓形薄膜壓電超聲換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明是在體硅刻蝕形 成的硅杯上部布置支撐層(103)，兩個(gè)振動(dòng)膜片均由支撐層(103)、底部電極(109與111)、 壓電層和頂部電極(110與11 組成。底部電極位于支撐層(10 之上，壓電層位于底部 電極之上，頂部電極位于壓電層之上。首先選取一個(gè)硅基片(101)，該硅基片的厚度為15微米，但相關(guān)技術(shù)人員可根據(jù) 工程需要選擇不同厚度的硅基片。再制備支撐層(103)，通?？梢允堑璞∧?、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜 或以上薄膜組成的復(fù)合膜。該支撐層主要用于對(duì)壓電薄膜的支撐和輔助振動(dòng)，相關(guān)技術(shù)人 員可以根據(jù)需要和工藝條件選擇不同材料的薄膜。在圖2所示在支撐層(10 上面制備外部壓電單元(107)的底部電極(109)以及 內(nèi)部壓電單元(108)的底部電極(111)，該底部電極采用鋁膜、鉻膜、金膜或鉬金膜制作，也 可采用由以上金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作。其中外 部壓電單元(107)的底部電極(109)為圓環(huán)形狀，其外徑為2mm，內(nèi)徑為1.2mm;內(nèi)部壓電單 元(108)的底部電極(111)為圓形形狀，其直徑為1. 1mm。二者同心。
在底部電極(109與111)上面制備壓電層，該壓電薄膜的厚度為3 μ m，該壓電薄膜 為壓電陶瓷材料。對(duì)于外部及內(nèi)部壓壓電單元，其壓電層的徑向尺寸應(yīng)與各自的底部電極一致。在壓電薄膜上制備外部壓電單元(107)的頂部電極(110)以及內(nèi)部壓電單元 (108)的頂部電極(112)，該頂部電極采用鋁膜、鉻膜、金膜或鉬金膜制作，也可采用由以上 金屬材料構(gòu)成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構(gòu)成的復(fù)合薄膜制作。對(duì)于外部及內(nèi)部壓壓 電單元，其頂部電極的徑向尺寸應(yīng)與各自的底部電極及壓電層一致。當(dāng)在底部電極和頂部電極之間加載交流電信號(hào)時(shí)，應(yīng)保證外部壓電單元(107)的 底部電極(109)與頂部電極(110)的電壓差，同內(nèi)部壓電單元(108)的底部電極(111)與 頂部電極(11 的電壓差相比，始終存在著η的相位差。最后所應(yīng)說明的是，以上所述僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非是本發(fā)明的限制，任 何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi) 容作出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容， 依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本 發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種圓形薄膜壓電超聲換能器，包括硅基片(101)，位于該硅基片(101)上的支撐 層(103)以及位于支撐層上的兩個(gè)壓電換能單元，本發(fā)明其結(jié)構(gòu)特征在于，外部壓電單元 (107)包圍住內(nèi)部壓電單元(108)。
2.按權(quán)利要求1所述的薄膜壓電超聲換能器，其特征在于所述的支撐層(10 為矩形 形狀，內(nèi)部壓電單元(108)為圓形形狀，外部壓電單元(107)為圓環(huán)形狀。
3.按權(quán)利要求2所述的超聲波換能器，其特征在于其中所述的支撐層(10 可以是氮 化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜組成的復(fù)合膜。
4.按權(quán)利要求2所述的薄膜壓電超聲換能器，其特征在于所述的兩個(gè)壓電換能單元均 由底部電極、壓電層和頂部電極組成。
5.按權(quán)利要求3所述的薄膜壓電超聲換能器，其特征在于所述的壓電層是壓電陶瓷 (PZT)薄膜。
6.按權(quán)利要求2所述的超聲波換能器，其特征在于其中所述的外部壓電單元(107)與 內(nèi)部壓電單元(108)之間絕緣。
7.如權(quán)利要求4所述的超聲波換能器，其特征在于其中所述的外部壓電單元(107)的 底部電極(109)與頂部電極(110)的電壓差，同內(nèi)部壓電單元(108)的底部電極(111)與 頂部電極(11 的電壓差相比，始終存在著η的相位差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圓形薄膜壓電超聲換能器。本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的超聲換能器的所存在的能量轉(zhuǎn)換效率低的缺陷，提供一種轉(zhuǎn)換效率高的振動(dòng)壓電超聲換能器。本發(fā)明包括硅基片、位于該硅基片上的支撐層以及位于支撐層上的兩個(gè)壓電換能單元。其結(jié)構(gòu)特征在于，外部壓電單元包圍住內(nèi)部壓電單元。兩個(gè)單元給予相位始終相差π的交流電激勵(lì)，從而提高換能器的工作效率。兩個(gè)單元的具體尺寸，可根據(jù)換能器的設(shè)計(jì)需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
文檔編號(hào)H04R17/00GK102143422SQ20101010276
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月29日
發(fā)明者柳楊 申請(qǐng)人:柳楊